光柵分類(lèi)介紹 - 反射式衍射光柵/凹面/脈沖壓縮光柵等

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(cháng)的光學(xué)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(xiàn)性的，而光柵提供線(xiàn)性色散。光柵通常也更有效，并且不會(huì )受到限制棱鏡有用波長(cháng)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(lèi)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(chǎn)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(shù)生產(chǎn)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(guān)注反射光柵。

最常見(jiàn)的反射式衍射光柵類(lèi)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(huán)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(huán)氧樹(shù)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(yè)衍射光柵通常是由子母版生產(chǎn)的復制品光柵，其可能比母版衍射光柵低幾代。

通常，生產(chǎn)主衍射光柵的成本昂貴，并且通過(guò)提供復制光柵（其提供幾乎無(wú)法區分的性能），一個(gè)主衍射光柵可以生產(chǎn)數千個(gè)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(cháng)

d = 光柵常數（凹槽之間的距離）

θi  = 入射角（從法線(xiàn)測量）

θ = 衍射角（從法線(xiàn)測量）

該方程允許您非常精確地預測任何給定波長(cháng)的光方向。

光柵色散

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

角色散為：

其中：

b = 繞射角

k = 衍射級

n = 溝槽密度

線(xiàn)性色散將隨著(zhù)光柵到探測器的距離而變化。 線(xiàn)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(shí)驗室光譜儀、高光譜成像儀、電信、脈沖激光和現代光學(xué)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(gè)條件：

• 波長(cháng)

• 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(guò)閃耀或鋸齒形凹槽實(shí)現的（見(jiàn)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(lái)閃耀光柵。我們使用專(zhuān)有技術(shù)可以創(chuàng )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(cháng)以外的波長(cháng)出現在測量平面上時(shí)，就會(huì )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(cháng)遵循光學(xué)系統內的非預期路徑。

雜散光的影響是在任何給定波長(cháng)下產(chǎn)生明顯較高的信號電平，并對信噪比 (SNR) 產(chǎn)生負面影響。我們使用的專(zhuān)有閃耀技術(shù)可顯著(zhù)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(huì )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(huì )發(fā)生偏振。 因此，當用非偏振光照射光柵時(shí)，產(chǎn)生的衍射能量將被偏振，如下圖所示。 較高的凹槽頻率會(huì )增加偏振分離。

除非另有說(shuō)明，大多數光柵都經(jīng)過(guò)調整以實(shí)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(chēng)為 TE 偏振，是指入射光平行于光柵凹槽偏振。 S偏振，也稱(chēng)為T(mén)M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(fā)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(guò)程的機械性質(zhì)，無(wú)法生產(chǎn)出沒(méi)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(huì )增加雜散光和重影（由周期性誤差引起的錯誤光譜線(xiàn)）。

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(zhù)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(xué)技術(shù)不會(huì )產(chǎn)生周期性誤差、間距誤差或表面不規則性。 這意味著(zhù)全息光柵顯著(zhù)減少了雜散光（與刻劃光柵相比，雜散光通常低 10 倍）并且沒(méi)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(wèn)題。 刻劃凹面光柵不能用于平場(chǎng)成像應用，因為光柵的投影凹槽圖案總是產(chǎn)生直線(xiàn)、等距線(xiàn)，因此需要額外的光學(xué)器件來(lái)校正像差。 然而，全息凹面光柵可以設計和生產(chǎn)帶有彎曲凹槽的產(chǎn)品，從而產(chǎn)生像差校正圖像。 全息凹面光柵還可以生產(chǎn)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(wú)法使用閃耀全息衍射光柵時(shí)，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(xué)性能實(shí)際上與生產(chǎn)它的母版的性能沒(méi)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(chǎn)），并且光柵與光柵之間具有更好的一致性。

我們的專(zhuān)有閃耀技術(shù)還意味著(zhù)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(xiàn)下），并且與使用其他類(lèi)型閃耀方法生產(chǎn)的光柵相比，雜散光顯著(zhù)降低。

涂料

根據應用和所需的波長(cháng)范圍，衍射光柵可以提供多種不同的涂層選項。

對于紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)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(lái)保護鋁）

• 增強型鋁（鋁頂部的多層電介質(zhì)膜用于增加可見(jiàn)光或紫外線(xiàn)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(zhuān)業(yè)涂層，例如低至 120 nm 的 DUV 涂層。

全息光柵的類(lèi)型

全息光柵是利用全息干涉圖案的光刻技術(shù)制造的衍射光柵。

兩束相交的激光束產(chǎn)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?？梢允卿X、增強鋁、銀或金。

由于全息衍射光柵沒(méi)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(méi)有重影效應。

全息光柵可以被閃耀以產(chǎn)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(chēng)的并且沒(méi)有閃耀方向。

它們通常使用干涉光刻來(lái)生產(chǎn)，從而產(chǎn)生光滑的凹槽表面并消除刻劃光柵中發(fā)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(cháng)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(cháng)范圍內的效率。

閃耀波長(cháng)是光柵提供最大效率的波長(cháng)。 閃耀全息衍射光柵可以使用多種技術(shù)來(lái)制造。

通常，閃耀光柵使用離子束蝕刻來(lái)創(chuàng )建鋸齒輪廓，但是，我們使用專(zhuān)有技術(shù)來(lái)創(chuàng )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(xiàn)效率和顯著(zhù)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(zhù)降低且無(wú)重影。

凹面光柵

凹面光柵的主要優(yōu)點(diǎn)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(xué)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(lèi)型：

• 閃耀全息凹面光柵

• 像差校正平場(chǎng)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(lèi)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(lèi)型的閃耀全息凹面光柵不同，我們生產(chǎn)的凹面光柵采用一種工藝生產(chǎn)，該工藝可產(chǎn)生在光柵表面變化的閃耀輪廓，從而提高整個(gè)圖像平面的效率。 通?？蓪?shí)現 >80% 的效率。

像差校正（平場(chǎng)成像）凹面光柵

   像差校正凹面光柵（或平場(chǎng)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(guò)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(yōu)點(diǎn)是它不需要準直和聚焦光學(xué)器件，減少了光學(xué)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(lèi)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(wèn)題，但其他類(lèi)型的像差很小。

脈沖壓縮光柵

脈沖壓縮光柵是一種特殊類(lèi)型的平面正弦光柵，用于激光啁啾脈沖壓縮，通常優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)透射光柵。

電信光柵

現代電信允許通過(guò)光纖傳輸大量信息。 光柵可以通過(guò)分離各個(gè)波長(cháng)來(lái)管理光纖中的信號，從而允許訪(fǎng)問(wèn)信息。

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

關(guān)于我們

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

我們主要使用光學(xué)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(xué)器件。

我們的關(guān)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(xué)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(zhuān)有的閃耀技術(shù)作為閃耀光柵提供，與傳統的離子蝕刻光柵相比，該技術(shù)不僅在紫外線(xiàn)下提供高效率，而且雜散光更低。

我們的高精度復制光學(xué)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(huán)形鏡和柱面鏡）以及后向反射器、納米結構、混合光學(xué)器件和復雜光學(xué)器件。

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

我們?yōu)樵S多項目提供了多種超低雜散光光柵，包括軌道碳觀(guān)測站 (OCO) 和臭氧繪圖分析套件 (OMPS)。