关于光栅介绍

[拼音]：guangshan

[外文]：grating

又称衍射光栅。利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件。

发展简史

光栅是德国科学家J.von夫琅和费于1821年左右发明的，他最早是用细金属丝密排地缠在两个平行的细螺丝上，焊好后剪去一边，剩下的一边成为栏栅的形状，所以叫光栅。当白光通过这些平行的栅形密缝时，由于衍射和干涉的作用，光的能量便重新分布，不同波长的光其进行方向不同，从而形成光谱。夫琅和费接着改用刻划镀在玻璃上的金属膜的方法，后来又用金刚钻直接在玻璃面上刻光栅。19世纪末叶，美国的H.A.罗兰创造了精密刻划机，并发明了凹光栅，奠定了近代制造优质光栅的基础。

20世纪40年代，一些专门公司开始大量生产优质的精密光栅。经过30多年的发展，迄今，刻制光栅的技术已臻成熟，国外有一些公司能生产出满足各种需要的光栅，中国也能生产各种优质光栅。

种类

使透射光形成光谱的光栅。夫琅和费制造的光栅都是透射光栅。后来的透射光栅大多用金刚石在玻璃坯上密密地刻划很多平行的槽线而成。由于产生的光谱太弱，自闪耀光栅出世后，便渐被淘汰了。

是目前使用最广泛的一种光栅。通常是在玻璃坯平面上镀一层铝膜，然后用刻划机在铝膜上密密地刻上许多平行的等间距槽线而成。刻线密度随使用的光谱范围而异，一般平面反射光栅每毫米刻线数大致如下：

真空紫外区用 1200 ～3000线/毫米

近紫外和可见区用 600～1200线/毫米

近红外区用 200～300线/毫米

中红外区用 50～100线/毫米

远红外区用 1～50线/毫米

铝膜上的槽线是由金刚石刀刻划出的，刻槽的槽断面一般是锯齿形，如图1所示。由刻线机直接刻划出的光栅叫作原刻光栅。由于刻一块光栅很不容易，现在多采用复制光栅。

如果槽线不是刻在金属平面镜上，而是刻在凹的金属球面镜上，所得出的光栅就叫作凹光栅。凹光栅的优点是它本身可以聚焦，故用于研究光谱时，可以省去附属的聚焦系统。

由于刻划机不可避免地有误差，故用它刻出的槽线就不是理想的等间距平行线族。其中最难避免的是周期性误差，即刻线密度有周期性的变化，这种误差使得在光谱中出现所谓鬼线。60年代初出现激光后，由单色性很好的激光产生的干涉条纹，可以得到比较理想的等间距平行线族。因此，采用全息照相的方法，拍下这种干涉条纹，经处理后，制出的光栅便叫作全息光栅。

原理

设入射光以入射角i射到平面反射光栅上，如图2，n是光栅平面的法线，则根据衍射光的干涉原理可以算出，波长为λ 的衍射光在 θ方向上产生主极大（即实际能观察到的光）的条件为

d(sinθ＋sini)=kλ，

式中d是光栅常数(图2中刻槽的宽度)，k是整数(0，±1，±2，…)，称为光谱级，如k＝1称为一级光谱，k=2称为二级光谱等等。上式通常叫作光栅方程，是光栅产生光谱的基本公式。光栅方程中角度θ 和i的正负规定如下：θ恒为正；i与θ在光栅平面法线n的同侧（如图2）时i为正，i与θ在n的异侧时i为负。

对于锯齿形的刻槽来说，可以证明，光的强度最大的方向就是对于槽面由反射定律所规定的方向（图3）。因这个方向光最强，就好象通常看物体光滑表面反射时耀眼的光一样，所以叫作闪耀方向。在闪耀方向上产生主衍射极大的波长叫作闪耀波长。通常，规定取k＝1， θ＝i＝γ，因而闪耀波长等于2d sinγ。

能使闪耀落在零级光谱以外的光栅叫作闪耀光栅（或定向光栅）。当入射方向给定时，闪耀方向由槽形决定，当槽形为锯齿形时，闪耀方向就由槽面与光栅平面的夹角γ决定（γ有时叫作槽角，也称作闪耀角）。

由色散的定义D＝δθ/δγ 和光栅方程，得出光栅的色散为

D＝k/(d cos θ)。

在一般观测范围内（例如拍摄光谱），不同波长的θ差别很小，所以cosθ可当作常数，这时色散D便是常数，得出的光谱就是匀排光谱。

由分辨本领的定义R＝λ/δλ和光栅方程，得出光栅的分辨本领为

R＝kN。

式中k是光谱级，N是光栅槽线的总数。