光学前沿-光删应用于发展

苏州大学研究生考试答卷封面

考试科目：光学前沿

考试得分：________________

院别：物理与光电能源学院专业：光学工程

学生姓名：朱嘉诚学号：20154208096

授课教师：沈为民

考试日期：2016 年1 月13日

光栅应用与发展

摘要

衍射光栅作为一种重要的分光元件，经过几百年的发展，已经形成了很多种类，除了广泛应用于摄谱仪进行光谱分析之外，新型的光栅已大量用于激光器、集成光路、光通信、光学互连、光计算、光学信息处理和光学精密测量控制等各个方面。本文总结了光栅的主要性质和应用，并根据光栅的特点对光栅进行了分类。

关键词：衍射光栅光栅分类发展前景

Keywords：Diffraction grating Classification of grating Development prospect

一．研究背景及意义

近年来，一系列新型光栅的出现对科学技术的发展和工业生产技术的革新也发挥着越来越大的作用：把光栅做在光纤里面,产生了光纤光栅，促进了光纤通信产业的发展；光栅和波导的结合，产生了阵列波导光栅，是非常重要的光纤通信的波分复用器件；光栅的飞秒脉冲啁啾放大技术促进了强激光的产生；大尺寸的脉冲压缩光栅是激光核聚变装置不可缺少分束器；达曼光栅应用于光电子阵列照明技术；体全息光栅在光存储及波分复用方面的已快进入实用化阶段；二元光栅也在高要求光谱仪中逐渐取代传统光栅得以应用。光栅对科学技术的发展起到了推动作用，当今科技对光栅的需求也越来越大。

二．光栅的分类及应用

现根据光栅的特点对光栅进行分类，并对光栅的应用进行简单的介绍。

（1）按使用衍射光的方向分，有透射光栅和反射光栅：

光栅是衍射光栅的简称，光栅是能等宽等间隔地分割入射波前的、具有空间周期性结构的光学元件，是一种重要的分光元件。衍射光栅分为透射光栅和反射光栅两类，反射光栅又分阶梯光栅和闪耀光栅，透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的矩形透射率光栅(线形光栅)和正弦光栅两种。天文中仪器中测光谱用的多是反射光栅，它的基底是低膨胀系数的

玻璃或熔石英，上面镀铝，然后把平行线刻在铝膜上。透射光栅是在一块透明基(如玻)上刻一系列平行的和紧紧相靠的凹槽，未刻部分能透光，刻划部分因漫反射而不透光，这等效于大量等宽等间距的平行狭缝称为矩形透射率光栅。如用全息曝光法则可制做正弦透射率光栅。 如图1所示，左图为透射光栅示意图，右图为反射光栅示意图。两种光栅有个共同点是无论由a 光线入射还是b 光线入射，光栅衍射效率都相同。

（2）按面形分，有平面光栅、凹面光栅、凸光栅、柱镜光栅等：

由于对光束有汇聚作用，凹面光栅有色散和成像功能，用于真空紫外摄谱仪、直读光谱仪。普通的凹面光栅仅靠面形就能达到很好的消像差效果，如果改变光栅刻槽(间距、曲率)和基底面形，则还可提高光栅的分辨力。采用凸光栅的成像光谱仪、摄像机能够提供空间和光谱畸变基本为零的光谱图像。柱镜光栅是一片由众多平行排列的接近半球形条纹组成的多面体，用柱镜光栅成像法可进行立体印刷制作立体画。

（3）按周期维数及组合情况分，有一维光栅、二维光栅、三维光栅、复合光栅、多重光栅等：

一维光栅是一个方向上具有周期结构的光栅。二维光栅是两个方向上具有周期结构的光栅，例如正交光栅、仿生昆虫复眼的眼睛光栅就构成了二维光栅结构。三维光栅是三维空间的周期函数，劳厄在1913年提出晶体内原子是有规则排列的，可当作Ｘ射线的三维光栅，因此三维光栅有时也称为晶体光栅[1]

。重体全息光栅是在用一个记录介质的同一位置采用角度与波长混合复用的方法记录多个光栅，它们对相应波长的光具有光谱色散功能，可以制作波分复用及解复用器件。复合光栅由两组光栅叠加形成，在联合变换相关识别系统中，可作为微分滤波器。如图2所示，分别为一维光栅、二维光栅、三维光栅示意图。 a b

图1 透射光栅(左) 反射光栅(右)

a b

c

图2 一维光栅(a) 二维光栅(b) 三维光栅(c)

（4）按衍射理论分，有振幅光栅、相位光栅[2]等：

相位光栅和振幅光栅的称谓来源于经典的标量光栅理论，当光栅周期长、刻槽浅时，对经光栅反射和透射后的光波的相位或振幅按照光栅的复数反射率和透射率分别加以调制,则称为相位或振幅光栅。正弦型光栅和线形光栅都属于振幅光栅。体光栅、超声光栅、很多反射光栅和二元光栅都属于相位光栅。

（5）按制作方法分，有机刻光栅、复制光栅、全息光栅等：

光栅常用的制作方法有刻划法(分为机械刻蚀、离子蚀刻)、真空蒸发法、全息法等。因此光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是指在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕，刻过的地方不透光，未刻的地方透光，属于振幅型透射光栅，具有衍射效率高的特点，但以前的生产效率低。光学与微电子技术相互交叉、渗透而形成的二元编码光栅是一种新型的刻划光栅，它是一种透过率呈“黑白”式二元型分布的振幅光栅。二元光栅可根据要求自行设计，理论上可以获得任意需要的波前；具有很高的衍射效率；基片表面光栅深度在波长量级内，具有轻型的特点，制作成本低、质量好，在实现光波变换上具有许多卓越的、传统光学难以具备的功能。复制光栅，是指用原刻光栅也称为母光栅制成的复制品，用

来代替昂贵的原刻光栅的精密技术。复制光栅的出现解决了光栅批量制作问题，满足了光栅光谱仪器发展的需要。全息光栅也称为正弦式振幅光栅，它是让两束激光以一定角度进行干涉，用一块全息底片来感光，冲洗后即可得到透过率为正弦分布的光栅。全息光栅光谱范围广，杂散光低，且光谱分辨率高，可用于全息防伪、制作光子晶体、实现2D 自由空间光学互连网络等方面。全息光栅一般是透射式光栅。多层膜光栅可以认为是一种二维人造周期晶体，它利用全息干涉技术和离子束技术刻蚀而成。其制备方法主要有两种:一种是先镀膜再刻蚀，即在多层膜上刻蚀光栅，适用于平面多层膜光栅；另一种则是先刻蚀再镀膜，即在光栅表面沉积多层膜，适用于闪耀多层膜光栅。它将光栅的衍射和多层膜的布拉格衍射结合起来，把光栅的高分辨率和周期性多层膜的高反射率很好地结合起来，从而具有新的衍射特点。图3为苏大制作的大口径全息光栅。

三． 新型光栅前景

随着科学的进步，各种光学设备也在向着跟高的台阶迈进，以实现突破性的功能。为了满足各种先进光学设备的要求，新型光栅也随之研发。下面介绍两种近几年被应用于光谱探测的新型光栅。

（1）GAIA 卫星所用光栅[3]

GAIA 卫星旨在观测宇宙中10亿颗恒星，绘制出3D 宇宙地图，它搭载两台10亿像素的超高分辨率相机和视向速度光谱仪，通过探测各恒星钙谱线的红移来确定位置。

其所用光栅图3 苏州大学制作的大面积全息光栅