光栅分类介绍 - 反射式衍射光栅/凹面/脉冲压缩光栅等 - 筱晓光子

2024-02-23 10:38:02

什么是衍射光栅？

衍射光栅是一种将能量衍射成其组成波长的光学元件。衍射光栅和棱镜之间的主要区别在于棱镜的色散是非线性的，而光栅提供线性色散。光栅通常也更有效，并且不会受到限制棱镜有用波长范围的吸收效应的影响。

光栅的凹槽密度、深度和轮廓决定了光栅的光谱范围、效率、分辨率和性能。

通常有两种不同类型的衍射光栅——刻划光栅和全息光栅。

刻划衍射光栅是由刻划引擎产生的，该刻划引擎使用金刚石尖端工具在光栅基板（通常是涂有薄反射层的玻璃）上的涂层上切出凹槽。 全息衍射光栅是使用光刻技术生产的。

衍射光栅可以是反射光栅或透射光栅，但是，本指南将主要关注反射光栅。

最常见的反射式衍射光栅类型是平面和凹面光栅，但根据应用它们也可以是其他轮廓，例如凸面或环形。

衍射光栅通常由三层组成：基底（通常是玻璃）、形成凹槽的环氧树脂或金属层以及反射涂层。 光栅可以具有正弦或闪耀轮廓。正弦光栅通常比闪耀光栅提供更低的效率，但通常提供更广泛的光谱覆盖范围。

   闪耀光栅具有锯齿形轮廓，通常在规定的光谱范围内提供更高的效率。

反射光栅通常涂有反射涂层，通常是带有保护涂层的铝（用于 UV-VIS-NIR 使用）或金（用于 IR 使用）。 透射光栅通常带有抗反射涂层。

商业衍射光栅通常是由子母版生产的复制品光栅，其可能比母版衍射光栅低几代。

通常，生产主衍射光栅的成本昂贵，并且通过提供复制光栅（其提供几乎无法区分的性能），一个主衍射光栅可以生产数千个复制品，从而降低了衍射光栅的单位成本。

光栅方程

反射光栅的一般光栅方程为:

其中

n = 衍射级数

λ = 衍射波长

d = 光栅常数（凹槽之间的距离）

θi  = 入射角（从法线测量）

θ = 衍射角（从法线测量）

该方程允许您非常精确地预测任何给定波长的光方向。

光栅色散

衍射光栅用于将光分成不同的波长，或色散光。角色散是衍射角的变化与波长的微小变化之间的相关性。 

角色散为：

其中：

b = 绕射角

k = 衍射级

n = 沟槽密度

线性色散将随着光栅到探测器的距离而变化。 线性色散为：

其中：

b = 绕射角

k = 衍射级

n = 沟槽密度

LB  = 光栅到探测器的距离

利用这些基本方程，人们可以设计出高精度的光谱仪器。 它们用于设计实验室光谱仪、高光谱成像仪、电信、脉冲激光和现代光学系统中的其他设备中使用的光谱传感器。

光栅效率

光栅的效率取决于几个条件：

• 波长

• 偏振

• 入射角

• 衍射级

• 凹槽形状

• 金属涂层（用于反射光栅）

凹槽的形状将极大地影响反射式光栅的衍射能量。 反射光栅的最高效率是通过闪耀或锯齿形凹槽实现的（见图 3）。 因此，通常要求使用闪耀光栅。

可以使用几种不同的方法来闪耀光栅。我们使用专有技术可以创建紫外闪耀光栅，与离子蚀刻闪耀全息光栅相比，其效率更高。

漫射光

当选择的波长以外的波长出现在测量平面上时，就会出现杂散光。 它通常是由衍射、光栅表面缺陷引起的光散射或重影级（例如刻划光栅间距中的周期性误差）引起的，导致波长遵循光学系统内的非预期路径。

杂散光的影响是在任何给定波长下产生明显较高的信号电平，并对信噪比 (SNR) 产生负面影响。我们使用的专有闪耀技术可显着减少闪耀光栅中的杂散光，特别是与离子光栅相比 -蚀刻全息光栅。

偏振

光源的偏振会极大地影响光栅的效率。 重要的是要了解从光栅衍射的光能通常会发生偏振。 因此，当用非偏振光照射光栅时，产生的衍射能量将被偏振，如下图所示。 较高的凹槽频率会增加偏振分离。

除非另有说明，大多数光栅都经过调整以实现非偏振光的最大效率。 然而，一些光栅将标有 P 偏振或 S 偏振的最大效率。 P 偏振，也称为 TE 偏振，是指入射光平行于光栅凹槽偏振。 S偏振，也称为TM偏振，是指入射光垂直于光栅凹槽偏振。有趣的是，人眼只能看到（或感知）电矢量（E）。

图 1.沿 X 方向传播的光在 YZ 平面中发生偏振。 “E”是电矢量，在该图中，它平行于 Z 平面。 “H”是磁矢量，它平行于Y平面。

刻划光栅与全息光栅

由于制造过程的机械性质，无法生产出没有缺陷的刻划衍射光栅，这些缺陷可能包括周期性误差、间距误差和表面不规则性。 所有这些都会增加杂散光和重影（由周期性误差引起的错误光谱线）。

从历史上看，刻划衍射光栅比全息衍射光栅提供更高的效率，但随着闪耀全息衍射光栅的引入，情况不再总是如此。

用于制造全息衍射光栅的光学技术不会产生周期性误差、间距误差或表面不规则性。 这意味着全息光栅显着减少了杂散光（与刻划光栅相比，杂散光通常低 10 倍）并且没有重影。

此外，与全息光栅相比，凹面光栅对于刻划光栅存在特定的问题。 刻划凹面光栅不能用于平场成像应用，因为光栅的投影凹槽图案总是产生直线、等距线，因此需要额外的光学器件来校正像差。 然而，全息凹面光栅可以设计和生产带有弯曲凹槽的产品，从而产生像差校正图像。 全息凹面光栅还可以生产出比刻划凹面光栅更低的 f 值。

对于几乎所有应用，与刻划衍射光栅相比，闪耀全息衍射光栅将提供明显更好的整体性能。 仅当凹槽密度或光谱范围要求无法使用闪耀全息衍射光栅时，才应使用刻划衍射光栅。

主衍射光栅与复制衍射光栅

在大多数情况下，复制品衍射光栅的光学性能实际上与生产它的母版的性能没有区别。 很少有应用能够受益于使用主光栅而不是复制光栅。

复制品光栅的成本通常也比原版光栅低（特别是对于批量生产），并且光栅与光栅之间具有更好的一致性。

我们的专有闪耀技术还意味着我们的复制闪耀光栅表现出非常高的效率（尤其是在紫外线下），并且与使用其他类型闪耀方法生产的光栅相比，杂散光显着降低。

涂料

根据应用和所需的波长范围，衍射光栅可以提供多种不同的涂层选项。

对于紫外线、可见光和红外线应用，通常使用铝涂层，因为与银相比，铝涂层更耐氧化，并且具有更好的紫外线性能。

铝在 200 nm 至远红外范围内的平均反射率大于 90%，但在 750 - 900 nm 区域除外，该区域的平均反射率约为 85%。

银涂层可以在 450nm 至 2μm 的可见光和近红外波段提供更好的性能。

对于红外性能，金涂层在 700nm 至 10μm 范围内提供约 97% 的高反射率。

衍射光栅上提供的典型涂层包括：

• 裸铝

• 受保护的铝（具有 MgF2 或 SiO2 层来保护铝）

• 增强型铝（铝顶部的多层电介质膜用于增加可见光或紫外线区域的反射率）

• 受保护的银

• 红外用途金（700nm 至 10μm ~97%R）

• 还可提供专业涂层，例如低至 120 nm 的 DUV 涂层。

全息光栅的类型

全息光栅是利用全息干涉图案的光刻技术制造的衍射光栅。

两束相交的激光束产生等间隔的干涉条纹，这些干涉条纹被投射到光栅基板上的光刻胶材料上。 光致抗蚀剂的溶解与条纹的强度成比例，从而形成具有正弦轮廓的全息光栅。

然后在全息光栅上涂上反射涂层。 通常可以是铝、增强铝、银或金。

由于全息衍射光栅没有周期性误差或缺陷，因此与刻划光栅相比，它的杂散光明显减少，并且没有重影效应。

全息光栅可以被闪耀以产生在限定的光谱区域内提高了效率的闪耀光栅。

正弦全息光栅

正弦光栅是一种具有正弦凹槽轮廓的衍射光栅，其中凹槽是对称的并且没有闪耀方向。

它们通常使用干涉光刻来生产，从而产生光滑的凹槽表面并消除刻划光栅中发现的周期性误差。

通常，与闪耀光栅相比，正弦光栅提供更宽的光谱覆盖范围，但效率较低。

然而，在凹槽间距和波长比接近一致的某些条件下，正弦光栅可以表现出与闪耀光栅相同的效率。

闪耀全息光栅

闪耀全息光栅是一种衍射光栅，其中正弦轮廓已转换为“锯齿”轮廓。 这种锯齿形轮廓有效地提高了闪耀光栅在所需波长范围内的效率。

闪耀波长是光栅提供最大效率的波长。 闪耀全息衍射光栅可以使用多种技术来制造。

通常，闪耀光栅使用离子束蚀刻来创建锯齿轮廓，但是，我们使用专有技术来创建闪耀光栅，与离子蚀刻闪耀光栅相比，该光栅具有高紫外线效率和显着降低的杂散光。

闪耀全息光栅提供与闪耀刻纹光栅相似的高效率，但杂散光显着降低且无重影。

凹面光栅

凹面光栅的主要优点是它可以用作仪器中的主要色散和聚焦元件。 凹面光栅减少了所需光学元件的数量，从而提高了吞吐量和仪器效率。

凹面光栅通常有四种类型：

• 闪耀全息凹面光栅

• 像差校正平场成像光栅

• 恒定偏差单色仪光栅

• 罗兰型凹面光栅

闪耀全息凹面光栅

凹面闪耀光栅类似于标准闪耀光栅，其中凹槽轮廓已被修改以提高指定光谱区域的效率。 与某些其他类型的闪耀全息凹面光栅不同，我们生产的凹面光栅采用一种工艺生产，该工艺可产生在光栅表面变化的闪耀轮廓，从而提高整个图像平面的效率。 通常可实现 >80% 的效率。

像差校正（平场成像）凹面光栅

   像差校正凹面光栅（或平场成像光栅）具有既不平行也不等距的凹槽，旨在消除像散并允许在平面上成像完整的光谱范围。

   这使得像差校正凹面光栅非常适合与平面阵列探测器（例如光电二极管阵列（PDA）或电荷耦合器件（CCD）探测器）一起使用。

恒定偏差单色仪凹面光栅

恒定偏差单色仪光栅是扫描单色仪中使用的一种凹面光栅，其中光栅旋转并从入口狭缝穿过出口狭缝扫描信号。 入射信号和衍射信号之间的偏离角保持恒定。

与平面光栅相比，恒定偏差凹面光栅的主要优点是它不需要准直和聚焦光学器件，减少了光学元件的数量并增加了吞吐量。它还允许更紧凑的仪器设计。

罗兰型凹面光栅

  罗兰型凹面光栅是一种凹槽是直且等距的光栅。这种类型的凹面光栅将光谱衍射到罗兰圆上，罗兰圆被定义为圆的直径等于凹面光栅的曲率半径的圆。罗兰型凹面光栅存在像散问题，但其他类型的像差很小。

脉冲压缩光栅

脉冲压缩光栅是一种特殊类型的平面正弦光栅，用于激光啁啾脉冲压缩，通常优化用于 1053nm。

脉冲压缩光栅需要具有非常高的损伤阈值和高效率（利特罗入射、S 偏振>90%）。

透射光栅

透射光栅的生产方式与反射光栅相同，但凹槽设计用于衍射透射光。透射光栅效率高，并且通常比反射光栅更容易对准。 为了产生高效率，透射光栅通常需要深槽轮廓。透射光栅通常带有抗反射涂层。

我们不生产透射光栅。

电信光栅

现代电信允许通过光纤传输大量信息。 光栅可以通过分离各个波长来管理光纤中的信号，从而允许访问信息。

电信应用需要具有极低偏振相关损耗 (PDL) 和高衍射效率的光栅。 它们还需要具有高度的环境稳定性和非常好的光栅重复性。

关于我们

我们自 2004 年以来一直在生产大批量平面、非球面和自由形状反射光学器件、中空后向反射器和全息衍射光栅。

我们主要使用光学复制工艺，使我们能够以比传统批量制造更低的成本提供高保真、高规格的精密光学器件。

我们的关键能力之一是制造表面尺寸低至 λ/10 或更好的自由曲面光学器件、离轴抛物面镜和椭球面镜。 我们还制造平面、凹面和凸面全息衍射光栅，这些光栅可以使用我们专有的闪耀技术作为闪耀光栅提供，与传统的离子蚀刻光栅相比，该技术不仅在紫外线下提供高效率，而且杂散光更低。

我们的高精度复制光学器件包括球面镜、自由曲面镜和非球面镜（同轴或离轴抛物面镜、椭圆镜、环形镜和柱面镜）以及后向反射器、纳米结构、混合光学器件和复杂光学器件。

我们已通过 ISO 9001:2015 认证且符合 RoHS 标准，我们的生产和测试区域符合太空标准，提供无硅生产环境，我们可以在其中复制用于星载望远镜和光学互连系统的离轴抛物面、椭球面和自由曲面镜。

我们为许多知名项目提供了多种超低杂散光光栅，包括轨道碳观测站 (OCO) 和臭氧绘图分析套件 (OMPS)。