闪耀光栅报告
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精密光栅单色仪是扫描式发射光谱仪器的关键光学部件, 同时也 是一种光电一体化的分光仪器.光栅单色仪利用闪耀光栅作为分光元 件,将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任意选择的光谱宽度 很窄的单色光.其突出的优点是波段的范围宽广, 在全波段色散均匀, 单色光的波长可以达到非常准确的程度。
2、光通信领域
分析基础
干涉
光栅 光谱
衍射
光谱级次高，分辨本 领、色散本领大
一对 矛盾
光谱级次低，光强大
闪耀光栅的 工作原理
2016年5月8日星期日
闪耀光栅的工作原理
定向分光
普通光栅之所以中央零 级主极大没有色散，却占据 绝大部分光能，零级光谱无 分光效应，是由于干涉零级 主极大与单缝衍射主极大重 合，而这种重合起因于干涉 和衍射的光程差均由同一衍 射角决定，这对应用是非常 不利的。
2
sin N ( d sin ) sin N I0 sin( d sin ) sin
2
2
闪耀光栅的光强分析
同时，单槽面衍射图样和多槽面干涉图样如下图：
单槽面衍射零级主极大正好落在一级光谱线上，而该波长的其他级 次都落在了衍射零点位置形成缺级，所以仅有一序光谱出现。
闪耀光栅的光强分析
光强分布：（平面波入射）
2
sin sin N I I0 sin
其中：
2
a[sin sin( )]
表示槽面两端光线光程差的一半
kd (sin i sin ) / 2 d (sin i sin )
sin I I0
2
a[sin sin( )] 其中：
闪耀光栅的光强分析
y 建立如图坐标系： 相邻的两个缝对应位置的坐标差分别为：
x1 0 x2 d cos
· · ·
β
xn ( N 1)d cos
y1 0 y2 d nis
干涉
衍射
光在传播过程中，遇到 障碍物或小孔时，光将 偏离直线传播的途径而 绕到障碍物后面传播的 现象。
分析基础
光栅：
由大量等宽等间距的平行狭缝构成的 光学器件，它能使入射光的振幅或相位， 或者两者同时产生的周期性空间调制。
d
分析基础
光栅方程： d (sin i sin ) k
光栅方程反映了光栅结构与光 的入射角和衍射角之间关系，表示 一定波长的光在某些角度上产生主 极大。
2d sin k
（主闪耀条件）
当k=0 时，零级光谱不分光，此时光栅锯齿面 可看作一面反射镜；当k=1 时，对应的光波波 长 B ，这就是一级闪耀波长，也称中心波 长，此时光强分布的极大值正好对应在中心波 长上，闪耀光栅中 d a（锯齿斜面宽度）， 在中央衍射中只有一级光谱存在。
4、显示技术
闪耀光栅不仅具有很高的分色能力, 而且还具有将零级次衍 射光的绝大部分能量转移到所需级次上的能力, 衍射效率可达到 100%.设计适当的闪耀角, 能使复合白色光产生的RGB三基色光处 于最高衍射效率范围内.用闪耀光栅作为显示画面的光调制器, 能最大限度地提高光源的利用率。
闪耀光栅的光强分析
当以二级闪耀波长入射时，情形如图：
若以，三级、四级· · · 闪耀波长入射时， 情形类似。
适当控制入射光波范围，可以使 闪耀光栅衍射图样中仅有1 级光谱存在， 它将以一级闪耀波长为中心展开，实 现了光谱在展开的同时获得较大强度。
闪耀光栅的 应用现状
2016年5月8日星期日
闪耀光栅的应用现状 1、光栅单色仪
· · ·
x
yn ( N 1)d n is
闪耀光栅的光强分析
y 在同个坐标系下：
x、y上的方向余弦为
p sin sin q cos cos
那么：
ik ( pxn qy n ) e n 1 N 2
β
x
S
N
exp{ik (sin sin )(n 1)d cos (cos cos )(n 1)d sin }
闪耀光栅的工作原理
一般情形下的闪耀波长
i
代入原始光栅方程：
sin i sin(i 2 ) kB / d
得到闪耀波长：
B 2d sin cos(i ) / k
当k=1 时，产生1级闪耀波长，并且1级闪耀波长的其他级次（包括零级） 的光谱都几乎和单槽面衍射极小位置重合，致使这些级次上的光强度被调制 的很小，绝大部分的光能转移并集中到一级光谱上。
闪耀光栅的一个平面是锯齿面时，入射光照射使得干涉和 衍射零级主极大不再重合，而是将衍射零级主极大集中到某一 级光谱上去，从而实现了绝大部分光能的转移，形成闪耀。
闪耀光栅的工作原理
原理公式 （以垂直槽面入射为例）
闪耀光栅的零级谱线中，应满足条件：
sin i sin 0
单个槽面衍射零级主极大对应入射反方向：
n 1
2
闪耀光栅的光强分析
S
N
exp{ik (sin sin )(n 1)d cos (cos cos )(n 1)d sin }
n 1 2
N
2
exp{ik (n 1)d sin( ) sin( )}
n 1 N
exp[ik (n 1)d (sin i sin )]
n 1 N Nikd (sin i sin ) 2
2
1 e ikd (sin i sin ) 1 e n 1
sin 2 [ Nkd (sin i sin ) / 2] sin 2 [kd (sin i sin ) / 2]
闪耀光栅的特性分析 及其应用
汇报人：
2016年5月8日星期日
分析基础
目 录
闪耀光栅的工作原理
闪耀光栅的光强分析
闪耀光栅的应用现状
分析基础
分析基础
光的干涉与衍射
光栅与光栅方程 光谱线
分析基础
两列或几列光波在空间相 遇时相互叠加，在某些区 域始终加强，在另一些区 域则始终削弱，形成稳定 的强弱分布的现象。
闪耀光栅的 光强分析
2016年5月8日星期日
wk.baidu.com
闪耀光栅的光强分析
光强计算：（平面波入射）
利用多缝夫琅禾费衍射性质：
I ( ) S I
其中：
S
ik ( pxn qy n ) e n 1
N
2
I 是单缝夫琅禾费衍射的光强分布函数
S 是各缝之间光强互相干涉的因子
由普通光栅的光强分布计算出发, 根据多缝夫琅禾费衍射的性质直接求 出各缝之间的干涉因子, 从而求出闪耀光栅的光强分布。那么在单缝（本文 中为单个槽面）反射产生的衍射光强分布可以具体化：
多波长复合光信号聚焦在微闪耀光栅上, 光栅对不同波长的光 衍射角不一样, 于是可以把复合信号在空间上分离为不同波长的分 量。
闪耀光栅的应用现状 3、精密测量
光栅作为精密测量的一种工具, 由于它本身具有的优点, 已 在精密仪器、坐标测量、精确定位等多个领域得到了广泛的应用. 闪耀光栅可用于位移测量、转角测量、光学三维测量、温度测量 等。
表示相邻槽面对应位置光程差的一半
闪耀光栅的光强分析
光强分布二维图
i0 ， 选一级闪耀波长作为入射光波，平面光垂直光栅宏观平面射，
此时，衍射一序光谱如图：
a[sin sin( )] 0
sin
1
sin I ( ) I 0
2、光通信领域
分析基础
干涉
光栅 光谱
衍射
光谱级次高，分辨本 领、色散本领大
一对 矛盾
光谱级次低，光强大
闪耀光栅的 工作原理
2016年5月8日星期日
闪耀光栅的工作原理
定向分光
普通光栅之所以中央零 级主极大没有色散，却占据 绝大部分光能，零级光谱无 分光效应，是由于干涉零级 主极大与单缝衍射主极大重 合，而这种重合起因于干涉 和衍射的光程差均由同一衍 射角决定，这对应用是非常 不利的。
2
sin N ( d sin ) sin N I0 sin( d sin ) sin
2
2
闪耀光栅的光强分析
同时，单槽面衍射图样和多槽面干涉图样如下图：
单槽面衍射零级主极大正好落在一级光谱线上，而该波长的其他级 次都落在了衍射零点位置形成缺级，所以仅有一序光谱出现。
闪耀光栅的光强分析
光强分布：（平面波入射）
2
sin sin N I I0 sin
其中：
2
a[sin sin( )]
表示槽面两端光线光程差的一半
kd (sin i sin ) / 2 d (sin i sin )
sin I I0
2
a[sin sin( )] 其中：
闪耀光栅的光强分析
y 建立如图坐标系： 相邻的两个缝对应位置的坐标差分别为：
x1 0 x2 d cos
· · ·
β
xn ( N 1)d cos
y1 0 y2 d nis
干涉
衍射
光在传播过程中，遇到 障碍物或小孔时，光将 偏离直线传播的途径而 绕到障碍物后面传播的 现象。
分析基础
光栅：
由大量等宽等间距的平行狭缝构成的 光学器件，它能使入射光的振幅或相位， 或者两者同时产生的周期性空间调制。
d
分析基础
光栅方程： d (sin i sin ) k
光栅方程反映了光栅结构与光 的入射角和衍射角之间关系，表示 一定波长的光在某些角度上产生主 极大。
2d sin k
（主闪耀条件）
当k=0 时，零级光谱不分光，此时光栅锯齿面 可看作一面反射镜；当k=1 时，对应的光波波 长 B ，这就是一级闪耀波长，也称中心波 长，此时光强分布的极大值正好对应在中心波 长上，闪耀光栅中 d a（锯齿斜面宽度）， 在中央衍射中只有一级光谱存在。
4、显示技术
闪耀光栅不仅具有很高的分色能力, 而且还具有将零级次衍 射光的绝大部分能量转移到所需级次上的能力, 衍射效率可达到 100%.设计适当的闪耀角, 能使复合白色光产生的RGB三基色光处 于最高衍射效率范围内.用闪耀光栅作为显示画面的光调制器, 能最大限度地提高光源的利用率。
闪耀光栅的光强分析
当以二级闪耀波长入射时，情形如图：
若以，三级、四级· · · 闪耀波长入射时， 情形类似。
适当控制入射光波范围，可以使 闪耀光栅衍射图样中仅有1 级光谱存在， 它将以一级闪耀波长为中心展开，实 现了光谱在展开的同时获得较大强度。
闪耀光栅的 应用现状
2016年5月8日星期日
闪耀光栅的应用现状 1、光栅单色仪
· · ·
x
yn ( N 1)d n is
闪耀光栅的光强分析
y 在同个坐标系下：
x、y上的方向余弦为
p sin sin q cos cos
那么：
ik ( pxn qy n ) e n 1 N 2
β
x
S
N
exp{ik (sin sin )(n 1)d cos (cos cos )(n 1)d sin }
闪耀光栅的工作原理
一般情形下的闪耀波长
i
代入原始光栅方程：
sin i sin(i 2 ) kB / d
得到闪耀波长：
B 2d sin cos(i ) / k
当k=1 时，产生1级闪耀波长，并且1级闪耀波长的其他级次（包括零级） 的光谱都几乎和单槽面衍射极小位置重合，致使这些级次上的光强度被调制 的很小，绝大部分的光能转移并集中到一级光谱上。
闪耀光栅的一个平面是锯齿面时，入射光照射使得干涉和 衍射零级主极大不再重合，而是将衍射零级主极大集中到某一 级光谱上去，从而实现了绝大部分光能的转移，形成闪耀。
闪耀光栅的工作原理
原理公式 （以垂直槽面入射为例）
闪耀光栅的零级谱线中，应满足条件：
sin i sin 0
单个槽面衍射零级主极大对应入射反方向：
n 1
2
闪耀光栅的光强分析
S
N
exp{ik (sin sin )(n 1)d cos (cos cos )(n 1)d sin }
n 1 2
N
2
exp{ik (n 1)d sin( ) sin( )}
n 1 N
exp[ik (n 1)d (sin i sin )]
n 1 N Nikd (sin i sin ) 2
2
1 e ikd (sin i sin ) 1 e n 1
sin 2 [ Nkd (sin i sin ) / 2] sin 2 [kd (sin i sin ) / 2]
闪耀光栅的特性分析 及其应用
汇报人：
2016年5月8日星期日
分析基础
目 录
闪耀光栅的工作原理
闪耀光栅的光强分析
闪耀光栅的应用现状
分析基础
分析基础
光的干涉与衍射
光栅与光栅方程 光谱线
分析基础
两列或几列光波在空间相 遇时相互叠加，在某些区 域始终加强，在另一些区 域则始终削弱，形成稳定 的强弱分布的现象。
闪耀光栅的 光强分析
2016年5月8日星期日
wk.baidu.com
闪耀光栅的光强分析
光强计算：（平面波入射）
利用多缝夫琅禾费衍射性质：
I ( ) S I
其中：
S
ik ( pxn qy n ) e n 1
N
2
I 是单缝夫琅禾费衍射的光强分布函数
S 是各缝之间光强互相干涉的因子
由普通光栅的光强分布计算出发, 根据多缝夫琅禾费衍射的性质直接求 出各缝之间的干涉因子, 从而求出闪耀光栅的光强分布。那么在单缝（本文 中为单个槽面）反射产生的衍射光强分布可以具体化：
多波长复合光信号聚焦在微闪耀光栅上, 光栅对不同波长的光 衍射角不一样, 于是可以把复合信号在空间上分离为不同波长的分 量。
闪耀光栅的应用现状 3、精密测量
光栅作为精密测量的一种工具, 由于它本身具有的优点, 已 在精密仪器、坐标测量、精确定位等多个领域得到了广泛的应用. 闪耀光栅可用于位移测量、转角测量、光学三维测量、温度测量 等。
表示相邻槽面对应位置光程差的一半
闪耀光栅的光强分析
光强分布二维图
i0 ， 选一级闪耀波长作为入射光波，平面光垂直光栅宏观平面射，
此时，衍射一序光谱如图：
a[sin sin( )] 0
sin
1
sin I ( ) I 0