第四讲：衍射光栅及制作技术(1)
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30
产生双光束干涉条纹的光学系统
分波前系统 光学系统 分振幅系统
31
32
Kr+ laser 反射镜
反射镜
透镜
空间滤波器
光栅基片
光刻胶
33
美国LLNL制作940mm全息光栅的光学系统
34
35
36
37
光栅线密度
红外波段：300～600线/mm 可见波段： 600线/mm
紫外波段：1200～2400线/mm
11
按制造方法分类
3. 光栅的衍射光强分布
2 s in N s in 2 I I 0 I I s in 2 I
I
0
sin
2
2
sin N 2 sin 2
制作方法 主要性能
机械刻划 全息光刻 全息-离子束刻蚀 高 低
衍射效率
高
杂散光水平
鬼 线 能否闪耀 制作效率
强
有 能 低
弱
无 否 高
弱
无 能 高
51
三.几种其它光栅元件
52
1.软X射线Laminar光栅
53
Laminar（或lamellar）光栅是一种位相
光栅，作为色散元件主要用于真空紫外及软X
20
光栅刻划机
21
工艺流程：
机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。
22
机械刻划法的特点：
• • • • • 闪耀角由刻刀形状决定 光栅衍射效率高 有鬼线 杂散光较强 制作效率低
23
3．全息光刻（全息照相法）
六 十 年 代 初 ， 有 了 激 光 。 1967 年 Rudolgh 和 Schmahl提出用氩离子激光的干涉、光刻胶作为记录 材料来制造光栅，首次证实了用全息照相法制造的光 栅----全息光栅具有良好的光谱学性能。1970年法国J-
2
I 0
2
单缝衍射因子
多光束干涉因子
12
单缝衍射:
I -2 多光束干涉： I -1 1 2
I -2 -5 -4
缺 级 缺 级
2 4 5
13
-2 -1 0 1
2
4. 光栅方程
d(sini sink)=k (k=0, 1, 2 )
1
2
射线波段。其特点是截面为浅槽矩形轮廓，光
栅条和槽对衍射强度（效率）都有贡献。 通过选择合适的槽深、入射角，能引起光 栅条和槽的衍射在零级发生干涉相消。
54
Laminar光栅槽形结构示意图
55
D
阴影效应示意图
56
b 1 h [1 (ctg ctg 1 )] d 2 d
h
4 cos D / 2
4
例如：
• 人为加工的具有周期性的线、缝、槽等器件
• 光学性质（如折射率）周期变化的器件
• 天然的材料（晶体）
5
6
衍射光栅被广泛地应用于科 研和生产，特别在光谱学、光通 讯、光信息处理等许多领域都有 着十分重要的应用。
7
2．光栅的分类
光栅种类很多，按特性分类如下： 光谱光栅 光纤光栅 计量光栅 耦合光栅 微波光栅 辐射光栅 偏振光栅
48
源自文库200线/mm真空紫外闪耀光栅
采用全息-离子束
刻蚀技术在熔石英基板 上刻蚀出锯齿槽形的闪 耀光栅，2000年开始在 合肥同步辐射光化学光 束线上使用，替代了进 口产品。 有效面积：30mm×50mm 闪耀波长：130 nm 闪耀角：4.5
49
原子力显微图片
50
不同方法制备的光栅的特点比较
实用线密度最高可达：10000线/mm
38
全息-离子束刻蚀光栅
39
工艺流程
基板准备
涂胶
曝光
显影
离子束刻蚀
清洁处理
40
全息-离子束刻蚀闪耀光栅
41
离子束
闪耀角
42
离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模图形的要求
M
N
o
光刻胶光栅条纹截面形状需要严格控制 h=0.7326dtg
43
光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系
（4）I+k 不变，转动光栅时，同样可以得到不同的波 长输出。（单色仪）
（5）存在衍射级次重叠问题
16
5. 光栅的分辨本领
kN A D
整块光栅的 刻线总数
17
二. 光栅制作技术简介
18
光栅的制作技术
1. 机械刻划
2. 紫外光刻
3. 全息光刻
19
1．机械刻划法
机械刻划法制造光栅是在光栅刻划机上进 行。用金刚石刻刀在光栅基底上的金属膜（一 般多为铝膜）上刻划，实际上是金刚石刻刀在 膜层上挤压或摩擦抛光的过程。
8
按用途分类
按面型分类: 平面光栅
球面光栅 凹面光栅 非球面光栅 柱面光栅 椭球面光栅 超环面光栅
9
振幅型
透射光栅 按工作原理分类 反射光栅
位相型 振幅型
位相型
按槽型分类
正弦光栅 矩形光栅 锯齿形光栅（阶梯光栅）
10
按工作波段分类
远红外光栅 红外光栅 紫外光栅 真空紫外光栅 X射线光栅
机械刻划光栅 全息光栅 全息—离子束刻蚀光栅 复制光栅
d
光栅衍射原理示意图
14
光栅衍射谱
连续光谱
-2级光谱
-1级光谱
中央明纹
1级光谱
2级光谱
非连续光谱
-2级光谱
-1级光谱
中央明纹
1级光谱
2级光谱
15
从光栅方程可以看出：
（1）d>/2；
d(sini sink)=k
（2）i 不变，在不同的衍射方向上的光波长不同；
（3）k不变，改变i ，同样可以得到不同的波长输出。
衍射光栅及其制作技术简介
2008. 4. 2
1
一. 引言
二. 光栅制作技术简介
三. 几种其它光栅元件
2
一. 引言
3
1. 什么是衍射光栅
任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫做 衍射光栅。 衍射元件的重复阵列能够使一个出射波的 位相、振幅或两者都产生周期性的交替变化，这 种重复阵列叫做衍射光栅。
28
全息光栅的制造原理
两相干的平行光束以一定的夹角叠加在 一起时，在叠加区形成等间距的干涉条纹， 把干涉条纹记录在基片上的光刻胶上，经显 影处理后，便成为全息光栅。
29
干涉条纹间距（即光栅常数）：
d=/2nsin
可以看出： A. 改变、n、均可改变光栅常数 B. 、n、不可能任意改变
光栅结构参数之间的关系
57
激光全息曝光
反应离子刻蚀
离子束刻蚀
去除残留光刻胶
58
59
60
有效面积：25mm×60mm
线 密 度：200线/mm
61
Í ² ·É Laminar¹ Õ £ ¹ ¬ ½ ø ä â ¤¨â
¿ ½ Ì º
© £
62
63
Y公司已经制成了用于可见、紫外和X射线波段的多
种全息光栅，并已开始商品化。
全息光栅槽型一般为正弦形，可以通过 实验条件控制得到其它形状的槽形。
24
25
美国LLNL制作的镀金全息光栅，尺寸940mm 26
27
全息光栅的特点：
• 无鬼线 • 杂散光水平低 • 衍射效率较刻划光栅低 • 制作效率高
44
光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系
45
46
80线/mm闪耀光栅
采用全息-离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀
的锯齿槽形红外闪耀光栅。
闪耀波长：10.6 m，闪耀角25
47
600线/mm闪耀光栅
采用全息-离子束刻蚀 技术在光学基板上刻蚀出 锯齿槽形的闪耀光栅。 闪耀波长：458 nm 闪耀角：7.9
产生双光束干涉条纹的光学系统
分波前系统 光学系统 分振幅系统
31
32
Kr+ laser 反射镜
反射镜
透镜
空间滤波器
光栅基片
光刻胶
33
美国LLNL制作940mm全息光栅的光学系统
34
35
36
37
光栅线密度
红外波段：300～600线/mm 可见波段： 600线/mm
紫外波段：1200～2400线/mm
11
按制造方法分类
3. 光栅的衍射光强分布
2 s in N s in 2 I I 0 I I s in 2 I
I
0
sin
2
2
sin N 2 sin 2
制作方法 主要性能
机械刻划 全息光刻 全息-离子束刻蚀 高 低
衍射效率
高
杂散光水平
鬼 线 能否闪耀 制作效率
强
有 能 低
弱
无 否 高
弱
无 能 高
51
三.几种其它光栅元件
52
1.软X射线Laminar光栅
53
Laminar（或lamellar）光栅是一种位相
光栅，作为色散元件主要用于真空紫外及软X
20
光栅刻划机
21
工艺流程：
机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。
22
机械刻划法的特点：
• • • • • 闪耀角由刻刀形状决定 光栅衍射效率高 有鬼线 杂散光较强 制作效率低
23
3．全息光刻（全息照相法）
六 十 年 代 初 ， 有 了 激 光 。 1967 年 Rudolgh 和 Schmahl提出用氩离子激光的干涉、光刻胶作为记录 材料来制造光栅，首次证实了用全息照相法制造的光 栅----全息光栅具有良好的光谱学性能。1970年法国J-
2
I 0
2
单缝衍射因子
多光束干涉因子
12
单缝衍射:
I -2 多光束干涉： I -1 1 2
I -2 -5 -4
缺 级 缺 级
2 4 5
13
-2 -1 0 1
2
4. 光栅方程
d(sini sink)=k (k=0, 1, 2 )
1
2
射线波段。其特点是截面为浅槽矩形轮廓，光
栅条和槽对衍射强度（效率）都有贡献。 通过选择合适的槽深、入射角，能引起光 栅条和槽的衍射在零级发生干涉相消。
54
Laminar光栅槽形结构示意图
55
D
阴影效应示意图
56
b 1 h [1 (ctg ctg 1 )] d 2 d
h
4 cos D / 2
4
例如：
• 人为加工的具有周期性的线、缝、槽等器件
• 光学性质（如折射率）周期变化的器件
• 天然的材料（晶体）
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衍射光栅被广泛地应用于科 研和生产，特别在光谱学、光通 讯、光信息处理等许多领域都有 着十分重要的应用。
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2．光栅的分类
光栅种类很多，按特性分类如下： 光谱光栅 光纤光栅 计量光栅 耦合光栅 微波光栅 辐射光栅 偏振光栅
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源自文库200线/mm真空紫外闪耀光栅
采用全息-离子束
刻蚀技术在熔石英基板 上刻蚀出锯齿槽形的闪 耀光栅，2000年开始在 合肥同步辐射光化学光 束线上使用，替代了进 口产品。 有效面积：30mm×50mm 闪耀波长：130 nm 闪耀角：4.5
49
原子力显微图片
50
不同方法制备的光栅的特点比较
实用线密度最高可达：10000线/mm
38
全息-离子束刻蚀光栅
39
工艺流程
基板准备
涂胶
曝光
显影
离子束刻蚀
清洁处理
40
全息-离子束刻蚀闪耀光栅
41
离子束
闪耀角
42
离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模图形的要求
M
N
o
光刻胶光栅条纹截面形状需要严格控制 h=0.7326dtg
43
光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系
（4）I+k 不变，转动光栅时，同样可以得到不同的波 长输出。（单色仪）
（5）存在衍射级次重叠问题
16
5. 光栅的分辨本领
kN A D
整块光栅的 刻线总数
17
二. 光栅制作技术简介
18
光栅的制作技术
1. 机械刻划
2. 紫外光刻
3. 全息光刻
19
1．机械刻划法
机械刻划法制造光栅是在光栅刻划机上进 行。用金刚石刻刀在光栅基底上的金属膜（一 般多为铝膜）上刻划，实际上是金刚石刻刀在 膜层上挤压或摩擦抛光的过程。
8
按用途分类
按面型分类: 平面光栅
球面光栅 凹面光栅 非球面光栅 柱面光栅 椭球面光栅 超环面光栅
9
振幅型
透射光栅 按工作原理分类 反射光栅
位相型 振幅型
位相型
按槽型分类
正弦光栅 矩形光栅 锯齿形光栅（阶梯光栅）
10
按工作波段分类
远红外光栅 红外光栅 紫外光栅 真空紫外光栅 X射线光栅
机械刻划光栅 全息光栅 全息—离子束刻蚀光栅 复制光栅
d
光栅衍射原理示意图
14
光栅衍射谱
连续光谱
-2级光谱
-1级光谱
中央明纹
1级光谱
2级光谱
非连续光谱
-2级光谱
-1级光谱
中央明纹
1级光谱
2级光谱
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从光栅方程可以看出：
（1）d>/2；
d(sini sink)=k
（2）i 不变，在不同的衍射方向上的光波长不同；
（3）k不变，改变i ，同样可以得到不同的波长输出。
衍射光栅及其制作技术简介
2008. 4. 2
1
一. 引言
二. 光栅制作技术简介
三. 几种其它光栅元件
2
一. 引言
3
1. 什么是衍射光栅
任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫做 衍射光栅。 衍射元件的重复阵列能够使一个出射波的 位相、振幅或两者都产生周期性的交替变化，这 种重复阵列叫做衍射光栅。
28
全息光栅的制造原理
两相干的平行光束以一定的夹角叠加在 一起时，在叠加区形成等间距的干涉条纹， 把干涉条纹记录在基片上的光刻胶上，经显 影处理后，便成为全息光栅。
29
干涉条纹间距（即光栅常数）：
d=/2nsin
可以看出： A. 改变、n、均可改变光栅常数 B. 、n、不可能任意改变
光栅结构参数之间的关系
57
激光全息曝光
反应离子刻蚀
离子束刻蚀
去除残留光刻胶
58
59
60
有效面积：25mm×60mm
线 密 度：200线/mm
61
Í ² ·É Laminar¹ Õ £ ¹ ¬ ½ ø ä â ¤¨â
¿ ½ Ì º
© £
62
63
Y公司已经制成了用于可见、紫外和X射线波段的多
种全息光栅，并已开始商品化。
全息光栅槽型一般为正弦形，可以通过 实验条件控制得到其它形状的槽形。
24
25
美国LLNL制作的镀金全息光栅，尺寸940mm 26
27
全息光栅的特点：
• 无鬼线 • 杂散光水平低 • 衍射效率较刻划光栅低 • 制作效率高
44
光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系
45
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80线/mm闪耀光栅
采用全息-离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀
的锯齿槽形红外闪耀光栅。
闪耀波长：10.6 m，闪耀角25
47
600线/mm闪耀光栅
采用全息-离子束刻蚀 技术在光学基板上刻蚀出 锯齿槽形的闪耀光栅。 闪耀波长：458 nm 闪耀角：7.9