什么是衍射光柵？

衍射光柵是一種將能量衍射成其組成波長的光學元件。衍射光柵和棱鏡之間的主要區別在于棱鏡的色散是非線性的，而光柵提供線性色散。光柵通常也更有效，并且不會受到限制棱鏡有用波長范圍的吸收效應的影響。

光柵的凹槽密度、深度和輪廓決定了光柵的光譜范圍、效率、分辨率和性能。

通常有兩種不同類型的衍射光柵——刻劃光柵和全息光柵。

刻劃衍射光柵是由刻劃引擎產生的，該刻劃引擎使用金剛石尖工具在光柵基板（通常是涂有薄反射層的玻璃）上的涂層上切出凹槽。 全息衍射光柵是使用光刻技術生產的。

衍射光柵可以是反射光柵或透射光柵，但是，本指南將主要關注反射光柵。

最常見的反射式衍射光柵類型是平面和凹面光柵，但根據應用它們也可以是其他輪廓，例如凸面或環形。

衍射光柵通常由三層組成：基底（通常是玻璃）、形成凹槽的環氧樹脂或金屬層以及反射涂層。 光柵可以具有正弦或閃耀輪廓。正弦光柵通常比閃耀光柵提供更低的效率，但通常提供更廣泛的光譜覆蓋范圍。

   閃耀光柵具有鋸齒形輪廓，通常在規定的光譜范圍內提供更高的效率。

反射光柵通常涂有反射涂層，通常是帶有保護涂層的鋁（用于 UV-VIS-NIR 使用）或金（用于 IR 使用）。 透射光柵通常帶有抗反射涂層。

商業衍射光柵通常是由子母版生產的復制品光柵，其可能比母版衍射光柵低幾代。

通常，生產主衍射光柵的成本昂貴，并且通過提供復制光柵（其提供幾乎無法區分的性能），一個主衍射光柵可以生產數千個復制品，從而降低了衍射光柵的單位成本。

光柵方程

反射光柵的一般光柵方程為:

其中

n = 衍射級數

λ = 衍射波長

d = 光柵常數（凹槽之間的距離）

θi  = 入射角（從法線測量）

θ = 衍射角（從法線測量）

該方程允許您非常精確地預測任何給定波長的光方向。

光柵色散

衍射光柵用于將光分成不同的波長，或色散光。角色散是衍射角的變化與波長的微小變化之間的相關性。 

角色散為：

其中：

b = 繞射角

k = 衍射級

n = 溝槽密度

線性色散將隨著光柵到探測器的距離而變化。 線性色散為：

其中：

b = 繞射角

k = 衍射級

n = 溝槽密度

LB  = 光柵到探測器的距離

利用這些基本方程，人們可以設計出高精度的光譜儀器。 它們用于設計實驗室光譜儀、高光譜成像儀、電信、脈沖激光和現代光學系統中的其他設備中使用的光譜傳感器。

光柵效率

光柵的效率取決于幾個條件：

• 波長

• 偏振

• 入射角

• 衍射級

• 凹槽形狀

• 金屬涂層（用于反射光柵）

凹槽的形狀將極大地影響反射式光柵的衍射能量。 反射光柵的高效率是通過閃耀或鋸齒形凹槽實現的（見圖 3）。 因此，通常要求使用閃耀光柵。

可以使用幾種不同的方法來閃耀光柵。我們使用專有技術可以創建紫外閃耀光柵，與離子蝕刻閃耀全息光柵相比，其效率更高。

漫射光

當選擇的波長以外的波長出現在測量平面上時，就會出現雜散光。 它通常是由衍射、光柵表面缺陷引起的光散射或重影級（例如刻劃光柵間距中的周期性誤差）引起的，導致波長遵循光學系統內的非預期路徑。

雜散光的影響是在任何給定波長下產生明顯較高的信號電平，并對信噪比 (SNR) 產生負面影響。我們使用的專有閃耀技術可顯著減少閃耀光柵中的雜散光，特別是與離子光柵相比 -蝕刻全息光柵。

偏振

光源的偏振會極大地影響光柵的效率。 重要的是要了解從光柵衍射的光能通常會發生偏振。 因此，當用非偏振光照射光柵時，產生的衍射能量將被偏振，如下圖所示。 較高的凹槽頻率會增加偏振分離。

除非另有說明，大多數光柵都經過調整以實現非偏振光的最大效率。 然而，一些光柵將標有 P 偏振或 S 偏振的最大效率。 P 偏振，也稱為 TE 偏振，是指入射光平行于光柵凹槽偏振。 S偏振，也稱為TM偏振，是指入射光垂直于光柵凹槽偏振。有趣的是，人眼只能看到（或感知）電矢量（E）。

圖 1.沿 X 方向傳播的光在 YZ 平面中發生偏振。 “E"是電矢量，在該圖中，它平行于 Z 平面。 “H"是磁矢量，它平行于Y平面。

刻劃光柵與全息光柵

由于制造過程的機械性質，無法生產出沒有缺陷的刻劃衍射光柵，這些缺陷可能包括周期性誤差、間距誤差和表面不規則性。 所有這些都會增加雜散光和重影（由周期性誤差引起的錯誤光譜線）。

從以前看，刻劃衍射光柵比全息衍射光柵提供更高的效率，但隨著閃耀全息衍射光柵的引入，情況不再總是如此。

用于制造全息衍射光柵的光學技術不會產生周期性誤差、間距誤差或表面不規則性。 這意味著全息光柵顯著減少了雜散光（與刻劃光柵相比，雜散光通常低 10 倍）并且沒有重影。

此外，與全息光柵相比，凹面光柵對于刻劃光柵存在特定的問題。 刻劃凹面光柵不能用于平場成像應用，因為光柵的投影凹槽圖案總是產生直線、等距線，因此需要額外的光學器件來校正像差。 然而，全息凹面光柵可以設計和生產帶有彎曲凹槽的產品，從而產生像差校正圖像。 全息凹面光柵還可以生產出比刻劃凹面光柵更低的 f 值。

對于幾乎所有應用，與刻劃衍射光柵相比，閃耀全息衍射光柵將提供明顯更好的整體性能。 僅當凹槽密度或光譜范圍要求無法使用閃耀全息衍射光柵時，才應使用刻劃衍射光柵。

主衍射光柵與復制衍射光柵

在大多數情況下，復制品衍射光柵的光學性能實際上與生產它的母版的性能沒有區別。 很少有應用能夠受益于使用主光柵而不是復制光柵。

復制品光柵的成本通常也比原版光柵低（特別是對于批量生產），并且光柵與光柵之間具有更好的一致性。

我們的專有閃耀技術還意味著我們的復制閃耀光柵表現出非常高的效率（尤其是在紫外線下），并且與使用其他類型閃耀方法生產的光柵相比，雜散光顯著降低。

涂料

根據應用和所需的波長范圍，衍射光柵可以提供多種不同的涂層選項。

對于紫外線、可見光和紅外線應用，通常使用鋁涂層，因為與銀相比，鋁涂層更耐氧化，并且具有更好的紫外線性能。

鋁在 200 nm 至遠紅外范圍內的平均反射率大于 90%，但在 750 - 900 nm 區域除外，該區域的平均反射率約為 85%。

銀涂層可以在 450nm 至 2μm 的可見光和近紅外波段提供更好的性能。

對于紅外性能，金涂層在 700nm 至 10μm 范圍內提供約 97% 的高反射率。

衍射光柵上提供的典型涂層包括：

• 裸鋁

• 受保護的鋁（具有 MgF2 或 SiO2 層來保護鋁）

• 增強型鋁（鋁頂部的多層電介質膜用于增加可見光或紫外線區域的反射率）

• 受保護的銀

• 紅外用途金（700nm 至 10μm ~97%R）

• 還可提供專業涂層，例如低至 120 nm 的 DUV 涂層。

全息光柵的類型

全息光柵是利用全息干涉圖案的光刻技術制造的衍射光柵。

兩束相交的激光束產生等間隔的干涉條紋，這些干涉條紋被投射到光柵基板上的光刻膠材料上。 光致抗蝕劑的溶解與條紋的強度成比例，從而形成具有正弦輪廓的全息光柵。

然后在全息光柵上涂上反射涂層。 通常可以是鋁、增強鋁、銀或金。

由于全息衍射光柵沒有周期性誤差或缺陷，因此與刻劃光柵相比，它的雜散光明顯減少，并且沒有重影效應。

全息光柵可以被閃耀以產生在限定的光譜區域內提高了效率的閃耀光柵。

正弦全息光柵

正弦光柵是一種具有正弦凹槽輪廓的衍射光柵，其中凹槽是對稱的并且沒有閃耀方向。

它們通常使用干涉光刻來生產，從而產生光滑的凹槽表面并消除刻劃光柵中發現的周期性誤差。

通常，與閃耀光柵相比，正弦光柵提供更寬的光譜覆蓋范圍，但效率較低。

然而，在凹槽間距和波長比接近一致的某些條件下，正弦光柵可以表現出與閃耀光柵相同的效率。

閃耀全息光柵

閃耀全息光柵是一種衍射光柵，其中正弦輪廓已轉換為“鋸齒"輪廓。 這種鋸齒形輪廓有效地提高了閃耀光柵在所需波長范圍內的效率。

閃耀波長是光柵提供最大效率的波長。 閃耀全息衍射光柵可以使用多種技術來制造。

通常，閃耀光柵使用離子束蝕刻來創建鋸齒輪廓，但是，我們使用專有技術來創建閃耀光柵，與離子蝕刻閃耀光柵相比，該光柵具有高紫外線效率和顯著降低的雜散光。

閃耀全息光柵提供與閃耀刻紋光柵相似的高效率，但雜散光顯著降低且無重影。

凹面光柵

凹面光柵的主要優點是它可以用作儀器中的主要色散和聚焦元件。 凹面光柵減少了所需光學元件的數量，從而提高了吞吐量和儀器效率。

凹面光柵通常有四種類型：

• 閃耀全息凹面光柵

• 像差校正平場成像光柵

• 恒定偏差單色儀光柵

• 羅蘭型凹面光柵

閃耀全息凹面光柵

凹面閃耀光柵類似于標準閃耀光柵，其中凹槽輪廓已被修改以提高指出光譜區域的效率。 與某些其他類型的閃耀全息凹面光柵不同，我們生產的凹面光柵采用一種工藝生產，該工藝可產生在光柵表面變化的閃耀輪廓，從而提高整個圖像平面的效率。 通常可實現 >80% 的效率。

像差校正（平場成像）凹面光柵

   像差校正凹面光柵（或平場成像光柵）具有既不平行也不等距的凹槽，旨在消除像散并允許在平面上成像完整的光譜范圍。

   這使得像差校正凹面光柵非常適合與平面陣列探測器（例如光電二極管陣列（PDA）或電荷耦合器件（CCD）探測器）一起使用。

恒定偏差單色儀凹面光柵

恒定偏差單色儀光柵是掃描單色儀中使用的一種凹面光柵，其中光柵旋轉并從入口狹縫穿過出口狹縫掃描信號。 入射信號和衍射信號之間的偏離角保持恒定。

與平面光柵相比，恒定偏差凹面光柵的主要優點是它不需要準直和聚焦光學器件，減少了光學元件的數量并增加了吞吐量。它還允許更緊湊的儀器設計。

羅蘭型凹面光柵

  羅蘭型凹面光柵是一種凹槽是直且等距的光柵。這種類型的凹面光柵將光譜衍射到羅蘭圓上，羅蘭圓被定義為圓的直徑等于凹面光柵的曲率半徑的圓。羅蘭型凹面光柵存在像散問題，但其他類型的像差很小。

脈沖壓縮光柵

脈沖壓縮光柵是一種特殊類型的平面正弦光柵，用于激光啁啾脈沖壓縮，通常優化用于 1053nm。

脈沖壓縮光柵需要具有非常高的損傷閾值和高效率（利特羅入射、S 偏振>90%）。

透射光柵

透射光柵的生產方式與反射光柵相同，但凹槽設計用于衍射透射光。透射光柵效率高，并且通常比反射光柵更容易對準。 為了產生高效率，透射光柵通常需要深槽輪廓。透射光柵通常帶有抗反射涂層。

我們不生產透射光柵。

電信光柵

現代電信允許通過光纖傳輸大量信息。 光柵可以通過分離各個波長來管理光纖中的信號，從而允許訪問信息。

電信應用需要具有極低偏振相關損耗 (PDL) 和高衍射效率的光柵。 它們還需要具有高度的環境穩定性和非常好的光柵重復性。

關于我們

我們自 2004 年以來一直在生產大批量平面、非球面和自由形狀反射光學器件、中空后向反射器和全息衍射光柵。

我們主要使用光學復制工藝，使我們能夠以比傳統批量制造更低的成本提供高保真、高規格的精密光學器件。

我們的關鍵能力之一是制造表面尺寸低至 λ/10 或更好的自由曲面光學器件、離軸拋物面鏡和橢球面鏡。 我們還制造平面、凹面和凸面全息衍射光柵，這些光柵可以使用我們專有的閃耀技術作為閃耀光柵提供，與傳統的離子蝕刻光柵相比，該技術不僅在紫外線下提供高效率，而且雜散光更低。

我們的高精度復制光學器件包括球面鏡、自由曲面鏡和非球面鏡（同軸或離軸拋物面鏡、橢圓鏡、環形鏡和柱面鏡）以及后向反射器、納米結構、混合光學器件和復雜光學器件。

我們已通過 ISO 9001:2015 認證且符合 RoHS 標準，我們的生產和測試區域符合太空標準，提供無硅生產環境，我們可以在其中復制用于星載望遠鏡和光學互連系統的離軸拋物面、橢球面和自由曲面鏡。

我們為許多項目提供了多種超低雜散光光柵，包括軌道碳觀測站 (OCO) 和臭氧繪圖分析套件 (OMPS)。