闪耀(刻划)光栅

闪耀(刻划)光栅

Blazed Grating

图4. 闪耀光栅，0级反射Blazed Grating

图3. 闪耀光栅的几何结构

闪耀光栅也称为小阶梯光栅(echelette grating)，是一种特殊形式的反射式或透射式衍射光栅，能够在特定衍射级次产生最大光栅效率。也就是说，大部分光功率将会在设计的衍射级次，同时尽量减少其它级次(尤其是零级)的功率。由于这种设计特性，闪耀光栅会在某一特定波长下工作，这种波长也称为闪耀波长。

闪耀波长是闪耀光栅的三个主要特点之一。如图3所示，另外两个特点是刻槽或刻面间距a和闪耀角gamma。闪耀角gamma是表面结构与表面平行线之间的夹角，同时也是表面法线与刻面法线之间的夹角。

闪耀光栅具有与上述透射光栅和反射光栅类似的几何结构；入射角()和第级反射角()取决于光栅的表面法线。但是，明显的差异在于镜面反射的几何形状取决于闪耀角gamma，而不是光栅表面法线。这样就可以只通过改变衍射光栅的闪耀角来改变光栅效率。

图4展现了闪耀光栅的0级反射。m = 0时，以theta sub i入射的光以theta sub m反射。方程3的唯一解为theta sub i = –theta sub m。这就类似于平坦表面的镜面反射。

Blazed Grating

图6. 闪耀光栅，入射光垂直于光栅表面Blazed Grating

图5. 闪耀光栅，刻面的镜面反射

但是由于表面结构不同，闪耀光栅的镜面反射不同于平面反射，如图5所示。闪耀光栅的镜面反射角theta sub r出现在闪耀角的几何结构内。如果这个角与theta sub i在光栅表面法线的相同侧，那么这个角为负值。进行一些简单的几何转换后，可以发现

Grating Equation 2

(4)

图6为theta sub i= 0°时的特殊情况，此时入射光束垂直于光栅表面。在这种条件下，0级反射也是0°。 利用方程3和4，我们可以在两倍闪耀角时得出光栅方程：

Grating Equation 2

(5)

用于反射光栅的Littrow配置

Littrow结构是指闪耀光栅的一种特定几何形状，在单色仪和光谱仪中起着重要作用。角时光栅效率最高。在这种结构中，入射光的角度和衍射光的角度相同，theta sub i = theta sub m，且m > 0，故

Grating Equation 2

(6)

Blazed Grating

图7. Littrow配置

Littrow构形角Theta sub L取决于最强级(m = 1)、设计波长lambda sub D和光栅间距a。显然，在设计波长下Littrow构形角Theta sub L等于闪耀角gamma。Thorlabs所有闪耀光栅的Littrow/闪耀角都可在光栅规格表中找到。

Grating Equation 2

(7)

由此观察得出，对于法线入射光，与波长相关的角距随着衍射级次的增大而增大(theta sub i= 0°时，theta sub m随着m增大而增大)。使用高级次衍射图案，而不使用低级次衍射图案会有两个主要缺点：(1)高级次时效率降低；(2)自由光谱范围Free Spectral Range减小，它定义为：

Grating Equation 2

(8)

其中，lambda为中心波长，m为级次。

采用高级次衍射图案所产生的第一个问题可以通过使用阶梯光栅解决，这是一种特殊类型的刻划衍射光栅，闪耀角较大，凹槽密度相对较低。闪耀角大非常适合在高级次衍射模式中聚集能量。第二个问题可以通过使用另一光学元件解决：可以是光栅、色散棱镜或其它色散光学元件，以在阶梯光栅之后选出波长/级次。