衍射光柵是一種利用衍射現(xiàn)象的光學(xué)器件，即衍射光學(xué)的一種。它包含一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致空間變化的光學(xué)幅度和/或相位變化。最常見的是反射光柵，其中反射表面具有周期性的表面起伏，導(dǎo)致與位置相關(guān)的相位變化。然而，也有透射光柵，其中透射光獲得與位置相關(guān)的相位變化，這也可能來自表面起伏，或者來自全息（干涉）圖案。本文主要討論衍射發(fā)生在表面或表面附近的衍射光柵。請(qǐng)注意，還有體積布拉格光柵，其中衍射發(fā)生在大塊材料內(nèi)部。

光柵衍射細(xì)節(jié)

考慮由光柵引起的位置相關(guān)相位變化的空間頻率是有益的。在最簡(jiǎn)單的正弦相位變化情況下，只有兩個(gè)非零空間頻率分量，±2π/d，其中d是光柵結(jié)構(gòu)的周期。與法線方向成θ角的入射光束沿光柵平面具有波矢量分量k·sinθ，其中k=2π/λ，λ是波長。普通反射（如在鏡子上發(fā)生的）會(huì)導(dǎo)致反射光束具有面內(nèi)波矢量分量-k·sinθ。由于光柵的相位調(diào)制，可以有額外的反射分量和面內(nèi)波矢量分量?k·sinθ±2π/d。這些對(duì)應(yīng)于衍射級(jí)±1。由此，可以推導(dǎo)出相對(duì)于法線方向的相應(yīng)輸出光束角度：sinθ_out=-sinθ_in±λ/d

如果光柵的相位效應(yīng)不是正弦形狀，則可能有多個(gè)衍射級(jí)m，輸出角度可以通過以下更通用的公式計(jì)算：sinθ_out=-sinθ_in＋mλ/d

請(qǐng)注意，衍射級(jí)可以使用不同的符號(hào)約定，因此該術(shù)語前面可能有一個(gè)減號(hào)。上述等式可能會(huì)導(dǎo)致模數(shù)大于1的sinθ_out值；在這種情況下，相應(yīng)的衍射級(jí)是不可能的。下圖顯示了一個(gè)示例，其中衍射級(jí)數(shù)為-1至+3。

衍射光柵上所有可能衍射級(jí)的輸出光束。

每毫米800條線的反射式衍射光柵的輸出角作為波長的函數(shù)。入射光束與法線方向成25° 的固定角度。

上圖顯示了每毫米800條線的光柵示例，輸出角度如何隨波長變化。對(duì)于零階輸出（純反射，m=0），角度是恒定的，而對(duì)于其他階，它是變化的。例如，階數(shù)m=2僅適用于低于560nm的波長。由于每個(gè)輸出光束的方向（零級(jí)光束除外）都與波長有關(guān)，因此衍射光柵可用作多色儀。

作為波長除以光柵周期的函數(shù)的非零衍射級(jí)的顏色編碼數(shù)。

上圖顯示了衍射級(jí)數(shù)如何取決于波長和光柵周期的比率以及入射角。對(duì)于較短的波長和較大的光柵周期，階數(shù)增加。

輸出功率在衍射級(jí)上的分布

與簡(jiǎn)單的棱鏡不同，衍射光柵通常根據(jù)不同的衍射級(jí)產(chǎn)生多個(gè)輸出光束。一個(gè)重要的問題是輸出功率如何分布在不同的衍射級(jí)上。換句話說，某些衍射級(jí)的衍射效率是令人感興趣的。這取決于與波長相關(guān)的相位變化的形狀，因此取決于光柵凹槽的詳細(xì)特性。一般來說，衍射效率可以用衍射理論計(jì)算。特定衍射級(jí)的高衍射效率對(duì)于各種應(yīng)用是必不可少的。例如，脈沖壓縮器設(shè)置不應(yīng)該浪費(fèi)更多不可避免的產(chǎn)生的脈沖能量。此外，通過使用一個(gè)或多個(gè)高效光柵實(shí)現(xiàn)的光譜儀的高吞吐量導(dǎo)致高檢測(cè)靈敏度或可能降低對(duì)探頭照明的需求，這對(duì)于電池供電的儀器尤其重要。以下部分描述了優(yōu)化衍射效率的常用技術(shù)。

閃耀光柵

可以優(yōu)化衍射光柵，使得大部分功率進(jìn)入某個(gè)衍射級(jí)，從而導(dǎo)致該級(jí)的高衍射效率。對(duì)于直紋光柵，這種優(yōu)化導(dǎo)致所謂的閃耀光柵（小階梯光柵），其中位置相關(guān)的相變由鋸齒狀函數(shù)描述（線性增加，然后是突然的步驟）。必須針對(duì)輸入角和波長方面的給定條件優(yōu)化相應(yīng)表面輪廓的斜率。然而，這種優(yōu)化僅適用于有限的波長范圍。也可以制造閃耀全息光柵，表現(xiàn)出類似的衍射效率優(yōu)化，盡管當(dāng)然與凹槽的幾何形狀無關(guān)。

高功率超連續(xù)譜光源的白光輸出通過衍射光柵在空間上分散，以展示光譜內(nèi)容。光束路徑已使用霧機(jī)可見。

階梯光柵

階梯光柵是一種特殊類型的階梯光柵（=閃耀光柵），其閃耀角特別大（超過45°）。它們通常由相對(duì)較低的凹槽密度制成，以高入射角使用，并且為了獲得增加的角色散，使用高衍射級(jí)。它們主要用于光譜儀和相關(guān)類型的儀器——通常與普通光柵結(jié)合使用，以避免多級(jí)光的混淆。

利特羅配置

在所謂的反射光柵Littrow 配置中，衍射光束——通常是一階光束——沿著入射光束返回。這意味著以下條件：2sinθ_in=mλ/d

例如，當(dāng)光柵充當(dāng)線性激光諧振腔的端鏡時(shí)，使用 Littrow 配置。給定的光柵取向?qū)⒉ㄩL固定在諧振器光束路徑閉合的激光介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)，即激光操作是可能的。該技術(shù)用于制造波長可調(diào)激光器，例如外腔二極管激光器。

一些衍射光柵專門針對(duì)在或接近 Littrow 條件下的操作進(jìn)行了優(yōu)化：它們是閃耀光柵，以實(shí)現(xiàn)最大的衍射效率。光柵凹槽（假設(shè)是直紋光柵）的形狀使得結(jié)構(gòu)的線性部分平行于入射光的波前。這也導(dǎo)致弱極化依賴性。當(dāng)然，該優(yōu)化僅適用于有限的波長范圍，因?yàn)槠渌ㄩL的衍射角將偏離 Littrow 條件。

光柵的制作方法

• 傳統(tǒng)技術(shù)基于劃線引擎，這是一種高精度機(jī)器，可在金屬表面上機(jī)械壓印所需的表面浮雕（凹槽結(jié)構(gòu)），例如，使用金剛石尖端。雖然這種刻線光柵很難用非常小的線間距制造，但它們可用于具有高衍射效率和寬帶寬的堅(jiān)固金屬閃耀光柵。在光柵光譜儀中使用的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于表面不規(guī)則，它們會(huì)導(dǎo)致大量的雜散光。此外，難以確保大面積的高均勻性。
     激光微加工也可用于制作浮雕光柵，盡管尺寸稍大——主要適用于長波長應(yīng)用。

• 全息表面光柵是用光刻技術(shù)（或有時(shí)用電子束光刻）制成的，它允許更精細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的全息光柵具有正弦相位變化和低衍射效率，但它們只產(chǎn)生很少的雜散光，因?yàn)樗鼈兊谋砻婵梢苑浅Ｒ?guī)則。它們可以由多種硬質(zhì)材料制成，例如二氧化硅和各種半導(dǎo)體，并且先進(jìn)的制造技術(shù)可以生產(chǎn)精心控制的結(jié)構(gòu)，例如閃耀光柵。大面積上的高度均勻性是可能的，但用于制造過程的光學(xué)器件的缺陷可能會(huì)產(chǎn)生疊加的“鬼光柵”。

• 全息體光柵在透明介質(zhì)中具有周期性的折射率變化。（另請(qǐng)參閱有關(guān)體布拉格光柵的相關(guān)文章。）它們具有高衍射效率和低雜散光，但對(duì)溫度和濕度的變化很敏感。它們對(duì)濕度的敏感性可以通過用合適的表面層密封來降低。

• 也可以從單個(gè)主光柵復(fù)制許多光柵，主光柵本身可以用刻線引擎或全息技術(shù)制造。復(fù)制過程（通常涉及某種類型的鑄造）可以比母版的制造快得多，因此該方法非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。

也可以在棱鏡上制作衍射光柵；棱鏡和光柵的組合有時(shí)被稱為“棱鏡”?？梢赃x擇參數(shù)，使得某一中心波長的光通過光柵而沒有任何偏轉(zhuǎn)。另一種可能性是在介電鏡結(jié)構(gòu)的頂部制作光柵，從而產(chǎn)生具有非常高衍射效率的反射光柵鏡。

不同類型的光柵

• 具有反射面的反射光柵和透射光柵，其中大部分入射光（衍射和非衍射）傳輸?shù)搅硪粋?cè)。

• 表面光柵具有在表面上或表面附近的光柵結(jié)構(gòu)，而體光柵則將其分布在更大的體積中。

• 此外，人們將表面浮雕光柵（利用浮雕結(jié)構(gòu)）與全息光柵（具有折射率變化）區(qū)分開來。

• 可以使用不同的材料。例如，有金光柵，其反射層為金；其他可能的材料是例如鋁、銀和鏡金屬。其他光柵基于純介電結(jié)構(gòu)。還有混合金屬-電介質(zhì)衍射光柵，它可以實(shí)現(xiàn)更高的衍射效率 - 特別是在較短的波長下，金屬吸收強(qiáng)烈。

• 標(biāo)簽通常反映所使用的制造方法——例如，有刻線光柵、全息光柵和復(fù)制光柵。

• 雖然在大多數(shù)情況下光柵表面是平面（平面光柵），但也有具有彎曲（例如球形凸面或凹面）表面的光柵。例如，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)方便的成像特性是有利的。還有特殊的像差校正光柵。

• 有針對(duì)某些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的特殊光柵。例如，階梯光柵由相對(duì)較低的線密度制成，并用于近光柵入射和高衍射級(jí)。棱鏡是棱鏡，通常配備一個(gè)表面光柵。

• 一些光柵，例如全內(nèi)反射光柵，基于特殊的工作原理并相應(yīng)地命名。

• 有時(shí)，光柵根據(jù)其應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)記。示例是光譜儀光柵、光束組合光柵、激光調(diào)諧光柵和電信光柵。

衍射光柵的重要特性

• 線密度：線密度決定了各種衍射級(jí)的角位置（甚至是否存在）。它可能受到所使用的制造方法的限制，但也可能涉及設(shè)計(jì)權(quán)衡。

• 尺寸和均勻性，波前質(zhì)量：大多數(shù)使用的衍射光柵只有毫米或幾厘米的尺寸，但也可以制造尺寸為幾十厘米甚至超過一米的非常大的光柵。一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是在整個(gè)光柵區(qū)域上實(shí)現(xiàn)高均勻性。高度均勻性對(duì)于獲得衍射光束的高波前質(zhì)量至關(guān)重要。

• 衍射效率：對(duì)于許多應(yīng)用，衍射效率非常重要。這是在某個(gè)衍射級(jí)中獲得的入射光功率的分?jǐn)?shù)。它通常僅針對(duì)所需的衍射級(jí)指定，而不針對(duì)較弱的不需要的級(jí)。它不僅取決于光柵本身，還主要取決于工作條件，例如光波長和入射角。衍射效率可能取決于線密度和其他因素，并且存在涉及衍射效率和其他特性的各種設(shè)計(jì)權(quán)衡。如上所述，閃耀光柵可實(shí)現(xiàn)特別高的衍射效率。一些透射光柵還實(shí)現(xiàn)了非常高的衍射效率——有時(shí)甚至比反射光柵更高，主要是通過避免金屬吸收。

• 光譜分辨率和光束半徑：例如，在光柵光譜儀中，可以利用衍射光柵之后的波長相關(guān)光束方向?？蓪?shí)現(xiàn)的波長分辨率不僅取決于所獲得的角色散（例如，以每納米微弧度為單位），還取決于光束的自然發(fā)散角：發(fā)散角越小，就可以越精確地確定角度的變化。因此，高波長分辨率需要光柵上的大照明點(diǎn)。可以證明相對(duì)波長分辨率Δ λ ?/? λ是1 / ( m N ) 的數(shù)量級(jí)，其中m是所使用的衍射級(jí)，而N 是發(fā)光光柵槽的數(shù)量。

• 偏振相關(guān)：通常，不同階的衍射效率可以是偏振相關(guān)的。對(duì)于反射光柵來說尤其如此，而透射光柵通常只表現(xiàn)出弱的偏振相關(guān)性。

• 損傷閾值：特別是對(duì)于脈沖激光器的應(yīng)用，光柵具有足夠高的光學(xué)損傷閾值非常重要（參見關(guān)于激光誘導(dǎo)損傷的文章）。良好的功率處理能力暫時(shí)符合低吸收損耗的要求，因?yàn)橹挥斜晃盏墓獠庞锌赡軗p壞光柵。如果光通量方面的損傷閾值沒有期望的那么高，則可以操作具有相應(yīng)較大光束面積（或接近掠入射）的光柵。然而，這種方法也遇到了限制，例如大光柵的可用性有限或需要設(shè)備的緊湊性。一種有前景的方法是避免使用任何具有顯著光吸收的材料。例如，可以用具有極低吸收率和高激光誘導(dǎo)損傷閾值的純介電材料生產(chǎn)透射光柵。

• 熱性能：通常，溫度變化會(huì)導(dǎo)致線間距的變化，這取決于所用材料的熱膨脹系數(shù)。不同類型的光柵在熱靈敏度方面可能有很大差異。在涉及高功率激光輻射的應(yīng)用（例如光譜光束組合）中，熱敏感性尤其成為一個(gè)問題。

• 對(duì)準(zhǔn)靈敏度：衍射光柵的對(duì)準(zhǔn)通常是高度敏感的，需要精確的精細(xì)機(jī)械和高機(jī)械穩(wěn)定性。對(duì)準(zhǔn)靈敏度不僅取決于光柵本身（例如其線密度），還取決于各種操作條件和應(yīng)用。對(duì)準(zhǔn)靈敏度的最小化通常是涉及光柵的光學(xué)裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。

處理衍射光柵

衍射光柵的處理——至少那些光柵靠近表面的——通常是相對(duì)微妙的。光柵表面相當(dāng)敏感，例如不能接觸硬物或研磨材料。因此，清潔它們也相當(dāng)困難；通常不應(yīng)該嘗試用干凈、干燥的氮?dú)饣蚩諝獯档艋覊m。例如，應(yīng)盡可能避免任何脂肪、油或氣溶膠的沉積，因?yàn)樵诓粨p壞光柵的情況下去除這些沉積物可能是不可能的。

衍射光柵的應(yīng)用

單色儀和光譜儀

許多衍射光柵用于光柵 單色儀和光譜儀，其中利用了與波長相關(guān)的衍射角。上圖顯示了單色器的典型設(shè)置。獲得的光譜中的偽影可能是由于多個(gè)衍射級(jí)的混淆而引起的，特別是如果記錄的波長范圍很寬，光譜分離也可以與成像相結(jié)合。

單色儀的設(shè)計(jì)

脈沖壓縮

成對(duì)的衍射光柵可用作色散元件，而輸出不會(huì)隨波長發(fā)生角度變化。圖 5 顯示了具有四個(gè)光柵的 Treacy 壓縮器設(shè)置，其中所有波長分量最終重新組合；例如，它可以用于色散脈沖壓縮。當(dāng)光被平面鏡反射回來時(shí)，光柵對(duì)可以實(shí)現(xiàn)相同的功能。（請(qǐng)注意，這樣的鏡子可能會(huì)稍微傾斜，這樣反射光在垂直方向上會(huì)稍微偏移，并且可以很容易地與入射光分離。）這種光柵設(shè)置用作色散脈沖展寬器和壓縮器，例如在啁啾脈沖放大。例如，它們可以產(chǎn)生比棱鏡對(duì)大得多的色散量。

四光柵設(shè)置，由兩個(gè)光柵對(duì)組成。光柵 1 根據(jù)波長分離輸入（圖中顯示了兩個(gè)不同波長的通道），在光柵 2 之后，這些分量是平行的。光柵 3 和 4 重新組合了不同的組件?？偮窂介L度取決于波長，因此光柵設(shè)置會(huì)產(chǎn)生大量的色散，例如可用于色散補(bǔ)償。

波長調(diào)諧

衍射光柵常常用于波長調(diào)諧的激光器。例如，Littrow 配置的光柵可用于外腔二極管激光器。

光譜光束合并

在光譜光束組合中，人們經(jīng)常使用衍射光柵將來自不同發(fā)射器的波長略有不同的輻射組合成單一光束。

以色列Holo/Or衍射光學(xué)元件DOE

以色列Holo/Or于1989年成立，至今已經(jīng)有26年的歷史。Holoor設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各種衍射光學(xué)元件（DOE）和微光學(xué)元件，應(yīng)用于高精度和高功率和激光器，目前世界上只是極少數(shù)公司具有該項(xiàng)技術(shù)。Holo/Or的主要客戶包括醫(yī)療/美學(xué)激光，材料加工激光，計(jì)量激光和激光系統(tǒng)集成商等。新特光電在大中華地區(qū)全面代理Holo/Or的全系列產(chǎn)品，竭誠為各位激光行業(yè)的朋友提供服務(wù)。

Holo/Or能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光能量分布的各種調(diào)制，例如激光分束、激光聚焦、激光采樣、激光整形、平頂激光光斑、軸向多焦點(diǎn)、長焦深、勻光擴(kuò)散、雙波長等各種對(duì)激光能量分布的控制。得益于研發(fā)團(tuán)隊(duì)的超強(qiáng)設(shè)計(jì)能力，Holo/Or的衍射光學(xué)元件DOE具有高效率、高精度、高均勻性、小尺寸、重量輕和高損傷閾值的特點(diǎn)，我們還可針對(duì)客戶的特定應(yīng)用快速提供定制化的服務(wù)。目前，Holo/Or已經(jīng)在全球積累了數(shù)百家客戶，和全球知名的激光公司有些廣泛而緊密的合作。

Holo/Or的衍射光學(xué)元件（DOE）使用透鏡表面的微納結(jié)構(gòu)，改變激光的相位。通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以使入射激光按照任何期望的強(qiáng)度進(jìn)行排布，從而對(duì)激光進(jìn)行精準(zhǔn)操縱。這種技術(shù)能夠使許多不符合標(biāo)準(zhǔn)折射光學(xué)系統(tǒng)的功能與光操縱變?yōu)榭尚小olo/Or的衍射光學(xué)元件在許多激光應(yīng)用中都發(fā)揮了重要作用，例如激光加工、激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光熱處理等領(lǐng)域。

光束整形衍射光學(xué)元件

• 平頂光束整形

• 聚焦型平頂光束整形元件，聚焦平頂光束整形元件器件，激光平頂光斑透鏡

• 角度型平頂光束整形元件，發(fā)散型平頂光束整形器件，角度型激光平頂光斑透鏡

• M-Shape光束整形器，M波形光束整形元件/透鏡

• 圓環(huán)激光發(fā)生器，激光多圓環(huán)發(fā)生器，激光圓環(huán)衍射光學(xué)元件

• 渦鏡頭（產(chǎn)生微圓環(huán)光斑），漩渦鏡頭，激光軸棱鏡

• 激光勻光器，激光擴(kuò)散器（使激光均勻地?cái)U(kuò)散成一個(gè)平面）

光束分光衍射光學(xué)元件

• 一維激光分束器，一維激光光束分束元件

• 二維激光分束器，激光二維分束元件

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聚焦控制衍射光學(xué)元件

• 多焦點(diǎn)激光透鏡，軸向多焦點(diǎn)激光元件

• 長焦深激光透鏡，長焦深激光元件

• 雙波長激光透鏡，雙波長激光衍射元件，多波長激光衍射光學(xué)元件

除了以上成熟的應(yīng)用在外，武漢新特光電還愿意和客戶一塊開拓更多衍射光學(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域。例如以下領(lǐng)域：

• 折衍混合透鏡

• 光束均勻/勻光器

• 光束準(zhǔn)直

• 光束的分束與合束

• 光學(xué)圖象處理

• 微型光譜儀

• 光束掃描

• 光盤讀數(shù)頭

• 各種激光加工