衍射光栅——包含衍射光的周期性结构的光学元件

时间:2021-08-09 来源:新特光电 访问量:1113

衍射光栅是一种利用衍射现象的光学器件,即衍射光学的一种。它包含一个周期性结构,导致空间变化的光学幅度和/或相位变化。最常见的是反射光栅,其中反射表面具有周期性的表面起伏,导致与位置相关的相位变化。然而,也有透射光栅,其中透射光获得与位置相关的相位变化,这也可能来自表面起伏,或者来自全息(干涉)图案。本文主要讨论衍射发生在表面或表面附近的衍射光栅。请注意,还有体积布拉格光栅,其中衍射发生在大块材料内部。

光栅衍射细节

考虑由光栅引起的位置相关相位变化的空间频率是有益的。在最简单的正弦相位变化情况下,只有两个非零空间频率分量,±2π/d,其中d是光栅结构的周期。与法线方向成θ角的入射光束沿光栅平面具有波矢量分量k·sinθ,其中k=2π/λ,λ是波长。普通反射(如在镜子上发生的)会导致反射光束具有面内波矢量分量-k·sinθ。由于光栅的相位调制,可以有额外的反射分量和面内波矢量分量−k·sinθ±2π/d。这些对应于衍射级±1。由此,可以推导出相对于法线方向的相应输出光束角度:sinθout=-sinθin±λ/d

如果光栅的相位效应不是正弦形状,则可能有多个衍射级m,输出角度可以通过以下更通用的公式计算:sinθout=-sinθin+mλ/d

请注意,衍射级可以使用不同的符号约定,因此该术语前面可能有一个减号。上述等式可能会导致模数大于1的sinθout值;在这种情况下,相应的衍射级是不可能的。下图显示了一个示例,其中衍射级数为-1至+3。

衍射光栅上所有可能衍射级的输出光束。

衍射光栅上所有可能衍射级的输出光束。

每毫米800条线的反射式衍射光栅的输出角作为波长的函数。

每毫米800条线的反射式衍射光栅的输出角作为波长的函数。入射光束与法线方向成25° 的固定角度。

上图显示了每毫米800条线的光栅示例,输出角度如何随波长变化。对于零阶输出(纯反射,m=0),角度是恒定的,而对于其他阶,它是变化的。例如,阶数m=2仅适用于低于560nm的波长。由于每个输出光束的方向(零级光束除外)都与波长有关,因此衍射光栅可用作多色仪。

作为波长除以光栅周期的函数的非零衍射级的颜色编码数。

作为波长除以光栅周期的函数的非零衍射级的颜色编码数。

上图显示了衍射级数如何取决于波长和光栅周期的比率以及入射角。对于较短的波长和较大的光栅周期,阶数增加。

输出功率在衍射级上的分布

与简单的棱镜不同,衍射光栅通常根据不同的衍射级产生多个输出光束。一个重要的问题是输出功率如何分布在不同的衍射级上。换句话说,某些衍射级的衍射效率是令人感兴趣的。这取决于与波长相关的相位变化的形状,因此取决于光栅凹槽的详细特性。一般来说,衍射效率可以用衍射理论计算。特定衍射级的高衍射效率对于各种应用是必不可少的。例如,脉冲压缩器设置不应该浪费更多不可避免的产生的脉冲能量。此外,通过使用一个或多个高效光栅实现的光谱仪的高吞吐量导致高检测灵敏度或可能降低对探头照明的需求,这对于电池供电的仪器尤其重要。以下部分描述了优化衍射效率的常用技术。

闪耀光栅

可以优化衍射光栅,使得大部分功率进入某个衍射级,从而导致该级的高衍射效率。对于直纹光栅,这种优化导致所谓的闪耀光栅(小阶梯光栅),其中位置相关的相变由锯齿状函数描述(线性增加,然后是突然的步骤)。必须针对输入角和波长方面的给定条件优化相应表面轮廓的斜率。然而,这种优化仅适用于有限的波长范围。也可以制造闪耀全息光栅,表现出类似的衍射效率优化,尽管当然与凹槽的几何形状无关。

高功率超连续谱光源的白光输出通过衍射光栅在空间上分散,以展示光谱内容

高功率超连续谱光源的白光输出通过衍射光栅在空间上分散,以展示光谱内容。光束路径已使用雾机可见。

阶梯光栅

阶梯光栅是一种特殊类型的阶梯光栅(=闪耀光栅),其闪耀角特别大(超过45°)。它们通常由相对较低的凹槽密度制成,以高入射角使用,并且为了获得增加的角色散,使用高衍射级。它们主要用于光谱仪和相关类型的仪器——通常与普通光栅结合使用,以避免多级光的混淆。

利特罗配置

在所谓的反射光栅Littrow 配置中,衍射光束——通常是一阶光束——沿着入射光束返回。这意味着以下条件:2sinθin=mλ/d

例如,当光栅充当线性激光谐振腔的端镜时,使用 Littrow 配置。给定的光栅取向将波长固定在谐振器光束路径闭合的激光介质的增益带宽内,即激光操作是可能的。该技术用于制造波长可调激光器,例如外腔二极管激光器。

一些衍射光栅专门针对在或接近 Littrow 条件下的操作进行了优化:它们是闪耀光栅,以实现最大的衍射效率。光栅凹槽(假设是直纹光栅)的形状使得结构的线性部分平行于入射光的波前。这也导致弱极化依赖性。当然,该优化仅适用于有限的波长范围,因为其他波长的衍射角将偏离 Littrow 条件。

光栅的制作方法

  • 传统技术基于划线引擎,这是一种高精度机器,可在金属表面上机械压印所需的表面浮雕(凹槽结构),例如,使用金刚石尖端。虽然这种刻线光栅很难用非常小的线间距制造,但它们可用于具有高衍射效率和宽带宽的坚固金属闪耀光栅。在光栅光谱仪中使用的一个缺点是,由于表面不规则,它们会导致大量的杂散光。此外,难以确保大面积的高均匀性。
       激光微加工也可用于制作浮雕光栅,尽管尺寸稍大——主要适用于长波长应用。

  • 全息表面光栅是用光刻技术(或有时用电子束光刻)制成的,它允许更精细的光栅结构。简单的全息光栅具有正弦相位变化和低衍射效率,但它们只产生很少的杂散光,因为它们的表面可以非常规则。它们可以由多种硬质材料制成,例如二氧化硅和各种半导体,并且先进的制造技术可以生产精心控制的结构,例如闪耀光栅。大面积上的高度均匀性是可能的,但用于制造过程的光学器件的缺陷可能会产生叠加的“鬼光栅”。

  • 全息体光栅在透明介质中具有周期性的折射率变化。(另请参阅有关体布拉格光栅的相关文章。)它们具有高衍射效率和低杂散光,但对温度和湿度的变化很敏感。它们对湿度的敏感性可以通过用合适的表面层密封来降低。

  • 也可以从单个主光栅复制许多光栅,主光栅本身可以用刻线引擎或全息技术制造。复制过程(通常涉及某种类型的铸造)可以比母版的制造快得多,因此该方法非常适合大规模生产。

也可以在棱镜上制作衍射光栅;棱镜和光栅的组合有时被称为“棱镜”。可以选择参数,使得某一中心波长的光通过光栅而没有任何偏转。另一种可能性是在介电镜结构的顶部制作光栅,从而产生具有非常高衍射效率的反射光栅镜。

不同类型的光栅

  • 具有反射面的反射光栅和透射光栅,其中大部分入射光(衍射和非衍射)传输到另一侧。

  • 表面光栅具有在表面上或表面附近的光栅结构,而体光栅则将其分布在更大的体积中。

  • 此外,人们将表面浮雕光栅(利用浮雕结构)与全息光栅(具有折射率变化)区分开来。

  • 可以使用不同的材料。例如,有金光栅,其反射层为金;其他可能的材料是例如铝、银和镜金属。其他光栅基于纯介电结构。还有混合金属-电介质衍射光栅,它可以实现更高的衍射效率 - 特别是在较短的波长下,金属吸收强烈。

  • 标签通常反映所使用的制造方法——例如,有刻线光栅、全息光栅和复制光栅。

  • 虽然在大多数情况下光栅表面是平面(平面光栅),但也有具有弯曲(例如球形凸面或凹面)表面的光栅。例如,这对于实现方便的成像特性是有利的。还有特殊的像差校正光栅。

  • 有针对某些应用进行了优化的特殊光栅。例如,阶梯光栅由相对较低的线密度制成,并用于近光栅入射和高衍射级。棱镜是棱镜,通常配备一个表面光栅。

  • 一些光栅,例如全内反射光栅,基于特殊的工作原理并相应地命名。

  • 有时,光栅根据其应用进行标记。示例是光谱仪光栅、光束组合光栅、激光调谐光栅和电信光栅。

衍射光栅的重要特性

  • 线密度:线密度决定了各种衍射级的角位置(甚至是否存在)。它可能受到所使用的制造方法的限制,但也可能涉及设计权衡。

  • 尺寸和均匀性,波前质量:大多数使用的衍射光栅只有毫米或几厘米的尺寸,但也可以制造尺寸为几十厘米甚至超过一米的非常大的光栅。一个技术挑战是在整个光栅区域上实现高均匀性。高度均匀性对于获得衍射光束的高波前质量至关重要。

  • 衍射效率:对于许多应用,衍射效率非常重要。这是在某个衍射级中获得的入射光功率的分数。它通常仅针对所需的衍射级指定,而不针对较弱的不需要的级。它不仅取决于光栅本身,还主要取决于工作条件,例如光波长和入射角。衍射效率可能取决于线密度和其他因素,并且存在涉及衍射效率和其他特性的各种设计权衡。如上所述,闪耀光栅可实现特别高的衍射效率。一些透射光栅还实现了非常高的衍射效率——有时甚至比反射光栅更高,主要是通过避免金属吸收。

  • 光谱分辨率和光束半径:例如,在光栅光谱仪中,可以利用衍射光栅之后的波长相关光束方向。可实现的波长分辨率不仅取决于所获得的角色散(例如,以每纳米微弧度为单位),还取决于光束的自然发散角:发散角越小,就可以越精确地确定角度的变化。因此,高波长分辨率需要光栅上的大照明点。可以证明相对波长分辨率Δ λ  /  λ是1 / ( m N ) 的数量级,其中m是所使用的衍射级,而N 是发光光栅槽的数量。

  • 偏振相关:通常,不同阶的衍射效率可以是偏振相关的。对于反射光栅来说尤其如此,而透射光栅通常只表现出弱的偏振相关性。

  • 损伤阈值:特别是对于脉冲激光器的应用,光栅具有足够高的光学损伤阈值非常重要(参见关于激光诱导损伤的文章)。良好的功率处理能力暂时符合低吸收损耗的要求,因为只有被吸收的光才有可能损坏光栅。如果光通量方面的损伤阈值没有期望的那么高,则可以操作具有相应较大光束面积(或接近掠入射)的光栅。然而,这种方法也遇到了限制,例如大光栅的可用性有限或需要设备的紧凑性。一种有前景的方法是避免使用任何具有显着光吸收的材料。例如,可以用具有极低吸收率和高激光诱导损伤阈值的纯介电材料生产透射光栅。

  • 热性能:通常,温度变化会导致线间距的变化,这取决于所用材料的热膨胀系数。不同类型的光栅在热灵敏度方面可能有很大差异。在涉及高功率激光辐射的应用(例如光谱光束组合)中,热敏感性尤其成为一个问题。

  • 对准灵敏度:衍射光栅的对准通常是高度敏感的,需要精确的精细机械和高机械稳定性。对准灵敏度不仅取决于光栅本身(例如其线密度),还取决于各种操作条件和应用。对准灵敏度的最小化通常是涉及光栅的光学装置设计的一个重要方面。

处理衍射光栅

衍射光栅的处理——至少那些光栅靠近表面的——通常是相对微妙的。光栅表面相当敏感,例如不能接触硬物或研磨材料。因此,清洁它们也相当困难;通常不应该尝试用干净、干燥的氮气或空气吹掉灰尘。例如,应尽可能避免任何脂肪、油或气溶胶的沉积,因为在不损坏光栅的情况下去除这些沉积物可能是不可能的。

衍射光栅的应用

单色仪和光谱仪

许多衍射光栅用于光栅 单色仪和光谱仪,其中利用了与波长相关的衍射角。上图显示了单色器的典型设置。获得的光谱中的伪影可能是由于多个衍射级的混淆而引起的,特别是如果记录的波长范围很宽,光谱分离也可以与成像相结合。

单色仪的设计

单色仪的设计

脉冲压缩

成对的衍射光栅可用作色散元件,而输出不会随波长发生角度变化。图 5 显示了具有四个光栅的 Treacy 压缩器设置,其中所有波长分量最终重新组合;例如,它可以用于色散脉冲压缩。当光被平面镜反射回来时,光栅对可以实现相同的功能。(请注意,这样的镜子可能会稍微倾斜,这样反射光在垂直方向上会稍微偏移,并且可以很容易地与入射光分离。)这种光栅设置用作色散脉冲展宽器和压缩器,例如在啁啾脉冲放大。例如,它们可以产生比棱镜对大得多的色散量。

四光栅设置,由两个光栅对组成。

四光栅设置,由两个光栅对组成。光栅 1 根据波长分离输入(图中显示了两个不同波长的通道),在光栅 2 之后,这些分量是平行的。光栅 3 和 4 重新组合了不同的组件。总路径长度取决于波长,因此光栅设置会产生大量的色散,例如可用于色散补偿。

波长调谐

衍射光栅常常用于波长调谐的激光器。例如,Littrow 配置的光栅可用于外腔二极管激光器。

光谱光束合并

在光谱光束组合中,人们经常使用衍射光栅将来自不同发射器的波长略有不同的辐射组合成单一光束。

以色列Holo/Or衍射光学元件DOE

以色列Holo/Or于1989年成立,至今已经有26年的历史。Holoor设计和生产各种衍射光学元件(DOE)和微光学元件,应用于高精度和高功率和激光器,目前世界上只是极少数公司具有该项技术。Holo/Or的主要客户包括医疗/美学激光,材料加工激光,计量激光和激光系统集成商等。新特光电在大中华地区全面代理Holo/Or的全系列产品,竭诚为各位激光行业的朋友提供服务。

Holo/Or能够实现对激光能量分布的各种调制,例如激光分束、激光聚焦、激光采样、激光整形、平顶激光光斑、轴向多焦点长焦深、匀光扩散、双波长等各种对激光能量分布的控制。得益于研发团队的超强设计能力,Holo/Or的衍射光学元件DOE具有高效率、高精度、高均匀性、小尺寸、重量轻和高损伤阈值的特点,我们还可针对客户的特定应用快速提供定制化的服务。目前,Holo/Or已经在全球积累了数百家客户,和全球知名的激光公司有些广泛而紧密的合作。

Holo/Or的衍射光学元件(DOE)使用透镜表面的微纳结构,改变激光的相位。通过恰当的设计,可以使入射激光按照任何期望的强度进行排布,从而对激光进行精准操纵。这种技术能够使许多不符合标准折射光学系统的功能与光操纵变为可行。Holo/Or的衍射光学元件在许多激光应用中都发挥了重要作用,例如激光加工、激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光热处理等领域。

光束整形衍射光学元件

  • 平顶光束整形

  • M-Shape光束整形器,M波形光束整形元件/透镜

  • 圆环激光发生器,激光多圆环发生器,激光圆环衍射光学元件

  • 涡镜头(产生微圆环光斑),漩涡镜头,激光轴棱镜

  • 激光匀光器,激光扩散器(使激光均匀地扩散成一个平面)

光束整形衍射光学元件

光束分光衍射光学元件

  • 一维激光分束器,一维激光光束分束元件

  • 二维激光分束器,激光二维分束元件

  • 客制化激光光束分束器,客户定制的激光分束元件,各种光能量分布,定制激光图形

  • 激光光栅,衍射光栅

  • 激光采样器,激光采样元件,激光分光元件,激光取光元件

光束分光衍射光学元件

聚焦控制衍射光学元件

聚焦控制衍射光学元件

除了以上成熟的应用在外,武汉新特光电还愿意和客户一块开拓更多衍射光学元件的应用领域。例如以下领域:

  • 折衍混合透镜

  • 光束均匀/匀光器

  • 光束准直

  • 光束的分束与合束

  • 光学图象处理

  • 微型光谱仪

  • 光束扫描

  • 光盘读数头

  • 各种激光加工

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