光栅的作用

光栅（Diffraction Grating）是一种利用光的衍射和干涉原理进行分光或调制的光学元件，其作用是通过周期性排列的狭缝或刻线将入射光分解成不同波长的光谱，或调控光的传播方向。以下是光栅的主要作用及详细解析：

1. 作用

（1）分光（光谱分析）

• 原理：光栅通过密集的刻线（通常每毫米数百至数千条）使入射光发生衍射，不同波长的光因衍射角不同（满足光栅方程：dsin?θ=mλdsinθ=mλ）而被分开，形成光谱。

  • dd：光栅常数（刻线间距）

  • mm：衍射级次（m=0,±1,±2…m=0,±1,±2…）

  • λλ：光的波长

• 应用：

  • 光谱仪、单色仪中替代棱镜，提高分辨率。

  • 天文观测（分析恒星成分）、激光波长校准。

（2）光束调控

• 衍射控制：通过设计光栅结构（如闪耀光栅），将能量集中到特定衍射级次，提升效率。

• 偏振调制：超表面光栅可调控光的偏振态（用于AR/VR显示）。

（3）光学测量

• 位移/角度传感：利用莫尔条纹（光栅叠放时产生的干涉条纹）测量微小位移（如光栅尺）。

• 激光脉冲压缩：啁啾光栅用于展宽或压缩激光脉冲（飞秒激光技术）。

2. 光栅类型及特点

3. 关键性能参数

• 刻线密度（线/mm）：密度越高，色散越强（常见300-2400线/mm）。

• 分辨率（R=mNR=mN）：

  • NN：光栅总刻线数，决定可分辨波长差（如Δλ=λ/RΔλ=λ/R）。

• 闪耀角：闪耀光栅将能量集中到特定角度的设计参数。

• 衍射效率：特定级次的衍射光与入射光强度比（理想可达90%以上）。

4. 典型应用场景

（1）科研与工业

• 光谱分析：检测物质成分（如环保监测中的气体分析）。

• 激光技术：

  • 脉冲压缩（啁啾光栅）。

  • 波长调谐（光栅作为激光腔反馈元件）。

（2）消费电子

• 显示技术：

  • 衍射光栅用于3D投影、全息显示。

  • 超表面光栅实现AR眼镜的波导显示。

（3）精密制造

• 光栅尺：数控机床、光刻机的纳米级位移测量（精度达±1μm）。

5. 光栅 vs 棱镜

6. 选型与设计要点

• 波长范围：紫外光栅需特殊镀膜（如铝），红外光栅用金涂层。

• 杂散光抑制：选择闪耀光栅或全息光栅降低杂散光。

• 系统集成：光纤光栅可直接嵌入光纤系统，减少对准难度。