衍射光栅用于在空间上将不同波长光分开，典型的衍射光栅包含一个光学材料基底，基底表面刻有或复制有大量平行凹槽，同时还镀有反射材料（如铝）。本文将详细介绍衍射光栅的相关知识。

衍射光栅的原理

衍射光栅是一种在传统的光学表面上叠加了精细凹槽结构的光学元件，它可以是透射式的，也可以是反射式的，凹槽具备周期性的结构，如下图所示： 

上图中，d 是凹槽之间的间距，通常情况下，间距 d 的大小与光束的波长近似。

当光束照射到光栅表面时，会发生衍射现象，这样在每个凹槽位置都会形成次级波源，这些次级波源发出的光波会以球面波的形式向四周传播，如下图所示：

在特定的方位上，由次级波源发出的光会发生干涉现象，在有的方向上干涉叠加，光束能量很强，在有的方向干涉抵消，光束能量很弱，对于能量强的光束，我们将其划分为若干的衍射级次，例如0级、1级、2级、3级等衍射光。因此，光栅的主要功能就是将入射光束分离成若干个不同能量的光束出来，它常用在单色仪、光谱仪等光谱分析设备中。

衍射光栅产品，有两个关键的特性参数，一个是凹槽的图案，它的图案可以是等间隔的直线，也可以是不等间隔的曲线。另一个特性参数是凹槽的轮廓，它的轮廓形状可以是三角形、正弦曲线或者梯形，不同的轮廓形状可以实现不同的分光功能，凹槽轮廓的高度和间距也很关键，根据使用场景的不同，凹槽的高度从几纳米到几微米分布，凹槽的间距是以在1 mm长度内的周期数来定义，通常可以有30个到8000多个凹槽周期。

衍射光栅的制作方法

根据制作方法的不同，光栅可以分为刻线光栅和全息光栅两种类型。

刻线光栅，是采用末端非常尖的金刚石刀具在元件表面一根根的刻线而制作成的光栅，如下图所示，镀膜后的基片沿着一个方向步进，步进的间隔就是凹槽的周期，而金刚石刀具则重复着在与基片行进方向垂直的方向上做刻划：

刻线光栅的凹槽形状取决于金刚石刀具的形状，通常为三角形，它具备衍射效率高的特点。刀具刻划一条槽通常需要几秒钟的时间，当要制备的光栅面积较大时，整个光栅的刻划就需要几天甚至几周的时间，制备效率较低。

全息光栅是基于激光干涉图曝光的原理制备而成，其原理如下图所示：

激光器发出的光束经由分光镜分成 2 束，2 束光分别经过反射镜和显微物镜后，照射到光栅基底上，形成干涉条纹，基底上涂有光刻胶，光刻胶被曝光后，可以记录干涉条纹的图案，再经过显影工序，可以得到凹槽图案。因为干涉条纹是正弦曲线分布，因此该制备方法形成的凹槽也是正弦曲线形状的。因为是采用光学曝光的方法形成的凹槽，因此该方法通过一次曝光就能在基底得到整个图案，制备效率高。

Newport 的光栅及其应用

Newport 光栅产品传承自著名的 Richardson Gratings 品牌，已经有数十年的光栅制备经验，根据客户的需求，通常首先设计并制备一块母光栅，然后利用光栅复刻技术，以母光栅为原型，批量复刻出保真度高，一致性好的光栅产品。

光栅的基底材料可以是 BK7、ULE（超低膨胀玻璃）等光学玻璃，也可以是铝、铜等金属材料。光栅基底上需要镀膜，当用作透射光栅时，基底镀膜通常用氟化镁、二氧化硅等镀膜材料，当用作反射光栅时，需要镀铝、金或者银反射膜。

Newport 的光栅产品包括平面光栅、凹面光栅和阶梯光栅等种类。平面光栅的尺寸最小为 2 mm×2 mm，最大为 320×420 mm，可以在每毫米间距内制作 30 到 5800 个凹槽，凹槽形状为三角形或正弦形。凹面光栅是在凹球面基底上制备而成，光栅尺寸最大可达 100 mm，凹槽特征尺寸为每毫米 200~3600个。凹面光栅可以在分光的同时，实现光束的汇聚和像质的优化，从而可以使得仪器设备更加小巧和紧凑。阶梯光栅的凹槽间距很宽，在 1 mm间距内包含 13~300 个凹槽，可以将几块光栅拼接起来，用在地基天文望远镜的高分辨率光谱仪等场合，用于类地球系外行星的探测。

在光栅制备中，Newport 采用先进的检测技术来对光栅的指标做测试，包括对各衍射级次的衍射效率的测试、对凹槽的高度、间距、倾斜角等指标的测试和表征等。同时，在产品制作完成后，需要对它的分辨率、鬼像、杂散光、波前质量、光谱纯度等应用指标开展检测和评估，以满足实际使用性能的要求。

转自：MKS 光电解决方案

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