光栅衍射测光的波长调整和应用探讨
作者：冯兵 安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011
指导教师：朱德权
摘要：衍射光栅作为一种重要的分光元件, 经过几百年的发展,已经形成了很多种类,除了广泛应用于摄谱仪进行光谱分析之外, 新型的光栅已大量用于激光器、 集成光路、 光通信、 光学互连、 光计算、 光学信息处理和光学精密测量控制等各个方面。 综述了光栅的研究历史和现状, 介绍了光栅的主要性质和应用,并根据光栅的特点对光栅进行了分类.本文提出了使用光栅衍射测量光波波长和方向的方法，主要由光栅，分光计组成.实验结果表明：测得的波长偏差较小，入射方向的误差较小. 关键词：光波波长， 光栅衍射， 分光计， 入射角 光栅应用
引言：光栅作为一种优良的分光元件, 在近代光谱仪中有广泛的应用, 比如利用光栅衍射进行光谱分析,测量光波波长等.在大学物理实验中, 研究光栅测量光波波长, 都是基于入射光垂直于光栅平面入射的情况下进行的测量.如何在任意未知入射角情况下, 利用光栅测量光波波长.本文就这一情况进行分析和研究. 一.光栅简介
1 光栅发展历史
最早的衍射光栅是绕线光栅, 1786年美国科学家 Ritenhouse在费城用平行的 50至 60根细金属丝制成的宽 12 . 7 mm的衍射光栅. 1821年,夫琅和费为了观测太阳光谱, 用铁丝制成了衍射光栅, 两年后,他又在平面玻璃上敷以金箔,再在金箔上刻槽做成了具有较大色散的反射衍射光栅. 1870年, 卢瑟福在 50 mm宽的反射镜上用金刚石刻刀刻划了3500条槽, 这是世界上第一块分辩率与棱镜相当的光栅, 具有重大的意义[ 3 ]
19世纪 80年代, Ro w land发明衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置, 光栅分光仪器就成为光谱分析领域的主角. 后来, Anderson和 Wood研究了光栅槽形对光强分布的影响, 提出了光栅的闪耀理论, 闪耀使光栅的衍射效率得到大大的提高, 大部分光能量可集中在预定的衍射级次上。1948年, Gabor提出了全息光学原理,激光器发明以后,出现了专门用于记录激光器干涉条纹的技术,导致全息光栅的出现,它主要用作色散元件,对激光输出光谱进行选择和调谐.随着硅微加工技术的迅速发展,而光栅在微观上的周期性,硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性,使人们开始尝试在硅基材料上制作光栅. 1975年 W. Tang和 S . W ang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅,从此硅光栅被应用在许多不同的领域.随着微细加工工艺的发展和二元光学应用领域的拓展,周期性二元光学元件光栅的特征尺寸不断缩小,其结构也变得越来越复杂,从单周期光栅到双周期交叉光栅,从介质光栅到金属光栅,从单层光栅到多层光栅,光学元件越来越小型化、 高效化、 阵列化.
2 光栅分类
光栅经过几百年的发展, 己形成了很多种类,分类准则也有很多.我们将根据光栅的特点对光栅进行分类,并对光栅的应用进行简单的介绍.有些光栅可能属于几个种类,我们只在一个种类中介绍.
( 1)按材料分, 有硅光栅、 金属光栅、 聚合物光栅、 光折变光栅、 光致热折变玻璃光栅等;硅在近红外波段范围内具有非常好的光学特性(高折射率和低损耗) ,是制作近红外光栅的极好的材料, 又由于使用微机械加工技术,可以直接在硅材料表面制作光栅.在硅基材料上制作的光栅还可以用作集成光学的波导和光纤的耦合器. 阵列波导光栅也称作相位阵列, 它由一定数量的输入 /输出信道波导、 阵列波导和两块平板波导组成,集成在同一块
硅基底上(有的是在石英片上) .信道波导和阵列波导通过平板波导相连,阵列波导中相邻阵列波导的长度差保持为常数,可以起到光栅的作用,可以完成不同波长光的复用和解复用功能. AWG具有价格便宜、 适合批量生产、 工艺简单、 材料折射率调整容易、 损耗低、 热稳定性高、 透明性好以及偏振不灵敏(即无需色散补偿)等优点.关于 AWG的研究,近年来取得了很大的进展.
在金属光栅上制作的亚波长狭缝光栅具有异常的透射光增强效应. 由于这种增强效应突破了经典孔径理论的极限,在光子学、 光电子学等领域具有巨大的应用潜力.目前用于全息记录的材料种类繁多, 有:卤化银乳胶、 重铬酸明胶、 光致抗蚀剂、 光导热塑、 光致变色材料、 光致聚合物、 光折变晶体、 小杆细菌视紫红质等.
由于银盐干板光栅衍射效率低, 重铬酸盐明胶光栅不容易保存,因此都不适合做全息光栅。光致抗蚀剂能形成浮雕型相位全息图,光导热塑可擦除后重复使用.
细菌视紫红质是一种具有光驱动质子泵功能的跨膜蛋白, 具有较强的光敏感性在光致色变、 瞬态光电响应和非线性光学等性能上都具有良好的应用前景.光折变晶体是指在光辐射作用下通过光生载流子的空间分布使折射率发生变化的晶体,光折变晶体是一种可重复使用的实时记录材料.
光致热折变玻璃光栅(又叫光敏玻璃)是一种新型的光栅,能承受高能激光的辐照,其内部的体布拉格光栅, 使它们成为高能激光光谱叠加的理想器件.此外还有用于立体印刷的膜材光栅, 主要有聚对苯二甲酸已二醇酯 ( PET)、 聚丙烯 ( PP)、 聚氯乙烯( PVC )三种.
( 2)按作用器件分, 有光纤光栅、 超声光栅、 液晶光栅等;所谓光纤光栅是指通过一定方法 (光敏性、 弹光效应)使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,是一种无源滤波器件.其作用实质上是在纤芯内形成一个滤波器或反射镜. 光纤光栅自 1989年问世以来已成为一种重要的光无源器件,在光纤通信和光纤传感得到了广泛的应用.
根据光纤周期的不同, 光纤光栅可以分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅,还有光学周期随着光栅长度发生变化的啁啾光纤光栅. 可用做传感器、 滤波器、 光分插复用器、 色散补偿器等.由超声波在介质中形成驻波,使介质产生弹性形变,引起介质的密度呈疏密相间的交替分布,导致介质的折射率也作相应的周期性变化,如同一个正弦相位光栅, 称为超声光栅.而声光晶体等价于一个相位光栅.液晶光栅是利用液晶的电光性质来设计的一种光栅. 液晶光开关、 光偏转器、 光扫描器已经开始应用于光纤通信实验系统中,其唯一重大缺陷是响应速度目前只能达到微秒级或亚微秒级.
( 3)按使用衍射光的方向分, 有透射光栅和反射光栅等;光栅是衍射光栅的简称,光栅是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, 是一种重要的分光元件.衍射光栅分为透射光栅和反射光栅两类,反射光栅又分阶梯光栅和闪耀光栅,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(黑白光栅)和正弦光栅两种.天文中仪器中测光谱用的多是反射光栅﹐它的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英﹐上面镀铝﹐然后把平行线刻在铝膜上.
透射光栅是在一块透明基体(如玻璃、 聚酯片基等)上刻一系列平行的和紧紧相靠的凹槽, 未刻部分能透光,刻划部分因漫反射而不透光,这等效于大量等宽等间距的平行狭缝称为矩形透射率光栅(黑白光栅) .如用全息曝光法则可制做正弦透射率光栅.
透射光栅和反射光栅常作为色散元件来分离不同波长的谱线,主要用在光谱仪上,利用穿透吸收光谱、 荧光光谱或拉曼光谱来分析物质组成.
( 4)按面形分,有平面光栅、 凹面光栅、 凸光栅、柱镜光栅等;
凹面光栅有色散和成像功能,用于真空紫外摄谱仪、 直读光谱仪.普通的凹面光栅仅靠面形就能达到很好的消像差效果, 如果改变光栅刻槽(间距、 曲率)和基底面形, 则还可提高光栅的分辨力.
采用凸光栅的成像光谱仪、 摄像机能够提供空间和光谱畸变基本为零的光谱图像.
柱镜光栅是一片由众多平行排列的接近半球形条纹组成的多面体, 用柱镜光栅成像法可进行立体印刷制作立体画.
( 5)按周期维数及组合情况分, 有一维光栅、 二维光栅、 三维光栅、 复合光栅、 多重光栅等; 一维光栅是一个方向上具有周期结构的光栅.
二维光栅是两个方向上具有周期结构的光栅,例如正交光栅、 仿生昆虫复眼的眼睛光栅就构成了二维光栅结构.
三维光栅是三维空间的周期函数,劳厄在 1913年提出晶体内原子是有规则排列的,可当作 X射线的三维光栅, 因此三维光梵有时也称为晶体光栅.
多重体全息光栅是在用一个记录介质的同一位置采用角度与波长混合复用的方法记录多个光栅, 它们对相应波长的光具有光谱色散功能,可以制作波分复用及解复用器件.
复合光栅由两组光栅叠加形成,在联合变换相关识别系统中, 可作为微分滤波器. ( 6)按槽形分(主要指闪耀光栅) ,有三角形光栅、 台阶光栅 (阶梯光栅)、 矩形光栅等; 闪耀光栅也称为定向光栅, 选择适当入射角,可使所需的波长及其邻近波段的绝大部分(达 70 % )的光能量集中到预定的同一衍射级次上,衍射效率也很高。 这种集中光能量的性质称为闪耀.一般为三角形闪耀光栅，但制作难度大、 成本高.
20世纪 80年代后期以来出现的利用二元光学方法所制作的光栅表面往往呈台阶状, 称为台阶光栅,具有制作成本低、质量好的优点,人们用这种阶梯光栅逼近三角形闪耀光栅.此外还有矩形光栅、 梯形光栅等形状的光栅.闪耀光栅都是反射光栅.
( 7)按衍射理论分,有振幅光栅、 相位光栅等;相位光栅和振幅光栅的称谓来源于经典的标量光栅理论,当光栅周期长、 刻槽浅时, 对经光栅反射和透射后的光波的相位或振幅按照光栅的复数反射率和透射率分别加以调制,则称为相位或振幅光栅.正弦型光栅和黑白光栅都属于振幅光栅.体光栅、 超声光栅、 很多二元光栅都属于相位光栅.出并设计的一种具有特殊孔径函数的二值相位光栅,具有光斑阵列光强均匀等优点, 作为一种常用的分束器件或阵列发生器, 在光互连、 光通信、 光计算和多重成像等领域已广泛应用, 可采用二元光学工艺来制作.
琅奇光栅是一种占空比 (周期与透光缝宽之比) 为 2的光栅. 如果 Ronch i光栅制作在不透明介质上,并且刻透,则是一种黑白透射光栅,属于振幅型 Ronch i光栅. 如果光栅制作在透明介质上,控制占空比为 2 , 刻槽深度满足一定要求, 此时的光栅即为位相型 Ronch i光栅.
( 8)按使用波长分, 有紫外光栅、 红外光栅、 可见光栅、 x射线光栅、 飞秒激光光栅等; 此外，还可以按照尺寸，应用领域，形状，间距变化情况，折射率调制方式制作方法，等给光栅分类.
3 光栅的基本性质光栅主要有四个基本性质:色散、 偏振、 分束和相位匹配.光栅的色散是指光栅能够将相同入射条件下的不同波长的光衍射到不同的方向, 它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件.光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领.应用领域有光耦合、 光通讯、 光互连、 光计算、 均匀照明等.光栅的偏振性是指基于严格耦合波理论在共振区域设计出消色散波片光栅,可以被用来做偏振器、1 /2波片、1 /4波片和位相补偿器等.光栅的相位匹配性质是指光栅具有的将两个传播常数不同的波耦合起来的本领. 最明显的例子是光栅波导耦合器,它能将一束在自由空间传播的光束耦合到光波导中. 当光栅的特征尺寸远大于波长并且刻槽较浅时,采用标量衍射理论分析就足够精确;而当光栅的特征尺寸接近或小于波长,即达到亚波长结构时,必须采用严格的矢量衍
射理论分析衍射场的相关特性.
二.测量原理
根据衍射原理, 当入射光以入射角 ?经过透射光栅衍射后, 由透镜会聚, 形成干涉条纹. 其衍射光束、 波长及入射光束之间满足光栅方程：
d?sin??sin???m?（m=0,1,2，……） (1)
其中, ?表示波长, d 表示光栅常数, ?表示入射角, ?表示衍射角, m表示衍射光谱的级次,‘+’号表示衍射光线和入射光线在光栅表面法线的同侧, ‘-’ 号表示衍射光线和入射光线在光栅表面法线的异侧.
由光栅衍射方程可知:若光栅常数是常量,则对于每一个确定的波长和衍射光谱级次来说, 衍射角仅取决于入射角, 入射角改变必然引起衍射角的变化. 平行光以和光栅法线夹角? 斜入射光栅,如图1 所示,以第一级主极大为例, 当 m?1时,?1和?2分别是光栅法线两侧的衍射线与法线的夹角;X1、X2分别是零级光谱位置和1级光谱位置. 根据光栅方程, 则有sin?1?sin??式相加得：sin?1?sin?2?2?d?d,sin?2?sin??'?d两
?2 ；由于零级衍射光线和入射光线在同一条直线上，设零级光谱与1级光谱之间的夹角分别是?1，
''则?1??1??；?2??2??。则有：sin(?1??)?sin???''d
'sin(?2??)?sin???d （2）
''''由（2）式得：sin?(2?cos?1?cos?2)?cos?(sin?2?sin?1) （3） 令如图所示??0（即光栅法线起，顺时针方向入射为正），反之取负值.
图1光栅测量原理
'???0,?1'??2?''''根据式（3），则有???0,?1??2 . 即如图所示入射光线方向入射时，?1??2。也就是说，只
?''??0,???12?要测出偏向角?1，?2，比较它们的大小，就可以判断入射光线是从法线的哪一侧入射的.
''三.实验操作和分析 1.分光计的调节
概括地说，分光计的调整要求是：使平行光管出射光；望远镜适合于接收平行光；平行光管和望远镜的光并与分光计中心轴垂直.在正式调整前，先目测粗调： 使望远镜和平行光管对准；将载物台、望远镜和平行光调水平，使它们大致垂至于分光计中心轴.这一步很重有做好粗调，才能按下列步骤进一步细调（否则细调难行）：调整望远镜使其达到下面两条要求（望远镜是由筒、叉丝套筒和目镜镜筒三部分组成.叉丝到目镜和物离皆可调节.常用的阿贝目镜式望远镜 的结构和视2所示）：
①用自准法调节望远镜，使之适合于接收平行光：点亮侧窗的照明灯将叉丝照亮，旋转移动目镜使叉丝位于目
图2平面镜在载物台上的放置 望远镜镜焦平管大致要，只以
进物镜镜镜的距场如图平
行轴等高
面上，此时叉丝看得很清楚.再按图2所示位置，将平面反射镜置于载物台上（镜面朝望远镜）。然后缓慢转动载物台，同时调节叉丝套筒（改变叉丝与物镜间距），从望远镜中找到由平面镜反射回来的模糊光斑（如果找不到，则粗调没有达到要求，应重调）.找到光斑后进一步细调叉丝套筒，光斑逐渐变变成清晰的绿色小亮“十”字（它是叉丝平面上小黑十字的反射像，为绿色小亮十字）.当叉丝位于物镜焦平面上时，叉丝发出的光经过物镜后成为平行光，平行光经平面镜反射再次通过物镜后仍成像于叉丝平面.此时，从目镜中可同时看清叉丝与绿色小亮“十”字，且两者无视差.至此，叉丝既落在目镜焦平面上又落在物镜焦平面上，望远镜已适合于接收平行光.各镜筒间的相对位置就不应改变了. 要补充说明的是，叉丝套筒在调节过程中应做适当转动，使竖直叉丝平行于分光计中心轴. ②使望远镜光轴垂直于分光计中心轴：
望远镜调好焦后，从目镜中能同时看清叉丝和绿色小亮“十”字，且两者无视差.但绿色小亮“十”字一般不处于小黑十字的对称位置（aa′线）上.其原因可能是望远镜光轴未垂直中心轴，也可能是平面镜镜面与中心轴不平行，或者两者兼有.为使望远镜光轴垂直中心轴，调整方法如下：
首先检查平面镜正反两面分别正对望远镜时，视场中是否都能找到绿色小亮“十”字（如果找不到或只找到一个，说明粗调不合格，应进一步调整）。然后用螺丝9调节望远镜光轴倾斜度，使绿色小亮“十”字到aa′线的距离减小一半，再调载物台螺丝G1（或G3）使两者重合.把载物台转l80°，使平面镜的反面正对望远镜，再次用“各半调节法”同样调节.如此反复调节，直到平面镜任一面正对望远镜时，视场中的绿色小亮“十”字都落在调整叉丝aa′上时为止。此时，望远镜光轴就与中心轴垂直了. 调节过程中，不必刻板地运用“各半调节法”.若发现正反两面的反射像纵向位移较大，说明平面镜镜面与中心轴明显不平行，就应侧重调节螺丝G1或G3。如果纵向位移不大，但反射像都远离aa′线，这表明望远镜光轴与中心轴明显不垂直，就该侧重调节螺丝9了. （2）调整平行光管
①调整平行光管使之出射平行光：平行光管是由两个可以相对滑动的套简组成的，外筒上装有一组消色差透镜，内筒外端装有一个宽度可调的狭缝.
调节时先取下载物台上的平面镜，点亮汞灯使之正照狭缝.然后一边调节平行光管上狭缝和透镜的间距，一边用调好焦的望远镜对准平行光管观察.当狭缝正好调到透镜焦平面上时，平行光管就出射平行光.
光栅衍射测光的波长调整和应用探讨
