衍射光柵——包含衍射光的周期性結構的光學元件

衍射光柵是一種利用衍射現象的光學器件，即衍射光學的一種。它包含一個周期性結構，導致空間變化的光學幅度和/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，導致與位置相關的相位變化。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生在表面或表面附近的衍射光柵。請注意，還有體積布拉格光柵，其中衍射發生在大塊材料內部。

光柵衍射細節

考慮由光柵引起的位置相關相位變化的空間頻率是有益的。在最簡單的正弦相位變化情況下，只有兩個非零空間頻率分量，±2π/d，其中d是光柵結構的周期。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（如在鏡子上發生的）會導致反射光束具有面內波矢量分量-k·sinθ。由于光柵的相位調制，可以有額外的反射分量和面內波矢量分量?k·sinθ±2π/d。這些對應于衍射級±1。由此，可以推導出相對于法線方向的相應輸出光束角度：sinθ_out=-sinθ_in±λ/d

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

請注意，衍射級可以使用不同的符號約定，因此該術語前面可能有一個減號。上述等式可能會導致模數大于1的sinθ_out值；在這種情況下，相應的衍射級是不可能的。下圖顯示了一個示例，其中衍射級數為-1至+3。

衍射光柵上所有可能衍射級的輸出光束。

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。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。對于零階輸出（純反射，m=0），角度是恒定的，而對于其他階，它是變化的。例如，階數m=2僅適用于低于560nm的波長。由于每個輸出光束的方向（零級光束除外）都與波長有關，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的非零衍射級的顏色編碼數。

上圖顯示了衍射級數如何取決于波長和光柵周期的比率以及入射角。對于較短的波長和較大的光柵周期，階數增加。

輸出功率在衍射級上的分布

與簡單的棱鏡不同，衍射光柵通常根據不同的衍射級產生多個輸出光束。一個重要的問題是輸出功率如何分布在不同的衍射級上。換句話說，某些衍射級的衍射效率是令人感興趣的。這取決于與波長相關的相位變化的形狀，因此取決于光柵凹槽的詳細特性。一般來說，衍射效率可以用衍射理論計算。特定衍射級的高衍射效率對于各種應用是必不可少的。例如，脈沖壓縮器設置不應該浪費更多不可避免的產生的脈沖能量。此外，通過使用一個或多個高效光柵實現的光譜儀的高吞吐量導致高檢測靈敏度或可能降低對探頭照明的需求，這對于電池供電的儀器尤其重要。以下部分描述了優化衍射效率的常用技術。

閃耀光柵

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

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

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。它們主要用于光譜儀和相關類型的儀器——通常與普通光柵結合使用，以避免多級光的混淆。

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，當光柵充當線性激光諧振腔的端鏡時，使用 Littrow 配置。給定的光柵取向將波長固定在諧振器光束路徑閉合的激光介質的增益帶寬內，即激光操作是可能的。該技術用于制造波長可調激光器，例如外腔二極管激光器。

一些衍射光柵專門針對在或接近 Littrow 條件下的操作進行了優化：它們是閃耀光柵，以實現最大的衍射效率。光柵凹槽（假設是直紋光柵）的形狀使得結構的線性部分平行于入射光的波前。這也導致弱極化依賴性。當然，該優化僅適用于有限的波長范圍，因為其他波長的衍射角將偏離 Littrow 條件。

光柵的制作方法

• 傳統技術基于劃線引擎，這是一種高精度機器，可在金屬表面上機械壓印所需的表面浮雕（凹槽結構），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固金屬閃耀光柵。在光柵光譜儀中使用的一個缺點是，由于表面不規則，它們會導致大量的雜散光。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用。

• 全息表面光柵是用光刻技術（或有時用電子束光刻）制成的，它允許更精細的光柵結構。簡單的全息光柵具有正弦相位變化和低衍射效率，但它們只產生很少的雜散光，因為它們的表面可以非常規則。它們可以由多種硬質材料制成，例如二氧化硅和各種半導體，并且先進的制造技術可以生產精心控制的結構，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器件的缺陷可能會產生疊加的“鬼光柵”。

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

• 也可以從單個主光柵復制許多光柵，主光柵本身可以用刻線引擎或全息技術制造。復制過程（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模生產。

也可以在棱鏡上制作衍射光柵；棱鏡和光柵的組合有時被稱為“棱鏡”。可以選擇參數，使得某一中心波長的光通過光柵而沒有任何偏轉。另一種可能性是在介電鏡結構的頂部制作光柵，從而產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）傳輸到另一側。

• 表面光柵具有在表面上或表面附近的光柵結構，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（利用浮雕結構）與全息光柵（具有折射率變化）區分開來。

• 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構。還有混合金屬-電介質衍射光柵，它可以實現更高的衍射效率 - 特別是在較短的波長下，金屬吸收強烈。

• 標簽通常反映所使用的制造方法——例如，有刻線光柵、全息光柵和復制光柵。

• 雖然在大多數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，這對于實現方便的成像特性是有利的。還有特殊的像差校正光柵。

• 有針對某些應用進行了優化的特殊光柵。例如，階梯光柵由相對較低的線密度制成，并用于近光柵入射和高衍射級。棱鏡是棱鏡，通常配備一個表面光柵。

• 一些光柵，例如全內反射光柵，基于特殊的工作原理并相應地命名。

• 有時，光柵根據其應用進行標記。示例是光譜儀光柵、光束組合光柵、激光調諧光柵和電信光柵。

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，但也可能涉及設計權衡。

• 尺寸和均勻性，波前質量：大多數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。一個技術挑戰是在整個光柵區域上實現高均勻性。高度均勻性對于獲得衍射光束的高波前質量至關重要。

• 衍射效率：對于許多應用，衍射效率非常重要。這是在某個衍射級中獲得的入射光功率的分數。它通常僅針對所需的衍射級指定，而不針對較弱的不需要的級。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計權衡。如上所述，閃耀光柵可實現特別高的衍射效率。一些透射光柵還實現了非常高的衍射效率——有時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光束方向。可實現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散角：發散角越小，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。可以證明相對波長分辨率Δ λ ?/? λ是1 / ( m N ) 的數量級，其中m是所使用的衍射級，而N 是發光光柵槽的數量。

• 偏振相關：通常，不同階的衍射效率可以是偏振相關的。對于反射光柵來說尤其如此，而透射光柵通常只表現出弱的偏振相關性。

• 損傷閾值：特別是對于脈沖激光器的應用，光柵具有足夠高的光學損傷閾值非常重要（參見關于激光誘導損傷的文章）。良好的功率處理能力暫時符合低吸收損耗的要求，因為只有被吸收的光才有可能損壞光柵。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損傷閾值的純介電材料生產透射光柵。

• 熱性能：通常，溫度變化會導致線間距的變化，這取決于所用材料的熱膨脹系數。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用（例如光譜光束組合）中，熱敏感性尤其成為一個問題。

• 對準靈敏度：衍射光柵的對準通常是高度敏感的，需要精確的精細機械和高機械穩定性。對準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用。對準靈敏度的最小化通常是涉及光柵的光學裝置設計的一個重要方面。

處理衍射光柵

衍射光柵的處理——至少那些光柵靠近表面的——通常是相對微妙的。光柵表面相當敏感，例如不能接觸硬物或研磨材料。因此，清潔它們也相當困難；通常不應該嘗試用干凈、干燥的氮氣或空氣吹掉灰塵。例如，應盡可能避免任何脂肪、油或氣溶膠的沉積，因為在不損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的衍射角。上圖顯示了單色器的典型設置。獲得的光譜中的偽影可能是由于多個衍射級的混淆而引起的，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合。

單色儀的設計

脈沖壓縮

成對的衍射光柵可用作色散元件，而輸出不會隨波長發生角度變化。圖 5 顯示了具有四個光柵的 Treacy 壓縮器設置，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。當光被平面鏡反射回來時，光柵對可以實現相同的功能。（請注意，這樣的鏡子可能會稍微傾斜，這樣反射光在垂直方向上會稍微偏移，并且可以很容易地與入射光分離。）這種光柵設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，它們可以產生比棱鏡對大得多的色散量。

四光柵設置，由兩個光柵對組成。光柵 1 根據波長分離輸入（圖中顯示了兩個不同波長的通道），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。總路徑長度取決于波長，因此光柵設置會產生大量的色散，例如可用于色散補償。

波長調諧

衍射光柵常常用于波長調諧的激光器。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，人們經常使用衍射光柵將來自不同發射器的波長略有不同的輻射組合成單一光束。

以色列Holo/Or衍射光學元件DOE

以色列Holo/Or于1989年成立，至今已經有26年的歷史。Holoor設計和生產各種衍射光學元件（DOE）和微光學元件，應用于高精度和高功率和激光器，目前世界上只是極少數公司具有該項技術。Holo/Or的主要客戶包括醫療/美學激光，材料加工激光，計量激光和激光系統集成商等。新特光電在大中華地區全面代理Holo/Or的全系列產品，竭誠為各位激光行業的朋友提供服務。

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光束整形衍射光學元件

• 平頂光束整形

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• M-Shape光束整形器，M波形光束整形元件/透鏡

• 圓環激光發生器，激光多圓環發生器，激光圓環衍射光學元件

• 渦鏡頭（產生微圓環光斑），漩渦鏡頭，激光軸棱鏡

• 激光勻光器，激光擴散器（使激光均勻地擴散成一個平面）

光束分光衍射光學元件

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