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课 程： 光电检测技术 专 业： 光电信息工程 班 级： 0903 姓 名： 党平 学 号： 任课教师： 时 坚 成绩 衍射光栅的基本理论及其应用 引言 衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。分反射和透射两大类。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，角色散高而且随波长的变化小﹐所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。衍射光栅是一种分光用的光学元件，它不仅用于光谱学，还广泛用于计量、光通信、信息处理等方面。光栅种类很多，有透射光栅和反射光栅；平面光栅和凹面光栅；还有黑白光栅和正弦光栅；一维光栅、二维光栅和三维光栅。 对于衍射光栅的装置可设计为：一束平行单色光垂直照射在光栅上，光栅常数为，光栅的总缝数为N。通过每一狭缝向不同方向发射的光通过透镜聚集在屏幕上不同的位置，屏幕放在透镜的焦平面上。由许多等距的相同的平行狭缝构成的光学元件就称为衍射光栅，用金刚石尖端在玻璃板上刻划出等间距的平行细槽，这样就构成了一个衍射光栅，刻画处由于漫反射而变得不透光，其间为透明的玻璃，相当于透光的单缝。假设每个刻线的宽度为b，也就是不透光的宽度，相邻两刻的间距为a，也就是透光的部分，a+b就称作是光栅常量，常用d来表示，这样我们就可以得到光栅常数和每单位距离上所含刻痕数N之间成倒数关系，也就是说，单位长度上的条纹越多，光栅常数越小。 衍射光栅的原理： 1、光栅分光原理：光栅是一种重要的分光元件，它不仅用于光谱学，还广泛用于计量、光通信、信息处理等方面。光栅按不同分类方法可分为透射型和反射型光栅或振幅型和位相型光栅，本实验使用的是透射型振幅光栅，它相当于一组数目极多的等宽、等间距的平行排列的狭缝。其结构如下图所示： 光栅周期为d=a+b当一束波长为λ的平行光入射到光栅平面，透射光按衍射规律向各个方向传播，经透镜L会聚后，在透镜第二角平面上形成一组亮条纹，各级亮条纹产生的条件是： 如果入射光不是单色光，则除k=0外，其余各级谱线将按波长的次序依次排开。 当平行光垂直入射时，i=0，光栅方程简化为 这时在的方向上可以观察到中央谱线极强（称为零级谱线），其它级次的谱线则对称地分布在零级谱线的两侧。式中“+”号表示衍射光和入射光在光栅法线同侧“-”号表示它们不在法线的同一侧。光谱级次时，称为零级光谱，这时光栅没有色散作用。将上式进行变化，则有：可知：（1）当给定光栅常数和入射角时，在同一级光谱中，不同的波长对应不同的衍射角，因此所对应的谱线在空间的位置也不同，从而使复合光分解成为对应的光谱。（2）波长越短，衍射角越小，光栅光谱由短波到长波向着衍射角增大的方向展开。通常采用的衍射光栅为闪烁光栅。闪烁光栅刻槽断面形装多为三角形，每个刻槽的反射面和光栅平面之间的夹角成为闪烁角。为光栅平面法线，为入射角为衍射角，为光栅常数，为刻槽深度。光栅衍射后光强分布不仅与光栅的每一条刻槽的衍射角有光，还与光栅的所有刻槽的衍射光束相互干涉有关。只要改变这种刻槽的端面形状和尺寸，便可以改变各级光谱的相对分布，使光强主要集中到所有要求的光谱级次上。（1）光栅的角色散。指波长差为的两个波长的光线被分开的角距离的大小。其单位为。（2）光栅的分辨率。表示光栅能够分开相邻两光谱的能力，通常把波长与在该波长附近能被分辨的最小波长差的比值作为光栅分辨率的度量。 2、光栅的基本特性 (1) 角色散率。光栅的角色散率是指在同级光谱中两条谱线衍射角之差Δθ与其波长Δλ之比，即 ，由上式可知，光栅的角色散率与光栅常数成反比。但角色散率与光栅中衍射单元的总数N无关。光衍射角θk很小时，,角色散率Dθ可以近似看做常数，此时Δθ与Δλ成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。 (2) 分辨本领。分光仪器的分辨本领R定义为两条刚可被该仪器分辨开的谱线波长差Δλ去除它们的平均波长λ，即，根据瑞利判据可求得光栅的分辨本领R的表达式为：，上式说明光栅的分辨本领正比于有效使用面积内衍射单元总数N和光谱的级次k，与光栅常数d无关。分辨本领R越大，表明刚刚能被分辨开的波长差Δλ越小，该光栅分辨细微结构的能力越高。 能等宽等间隔地分割入射波前的、具有空间周期性结构的光学元件。常作为色散元件来分离不同波长的谱线。光栅分透射光栅和反射光栅两类。透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的矩形透射率光栅和正弦光栅两种。闪耀光栅是反射光栅