衍射光栅的进步旨在改变规则

更小光谱仪和非机械激光雷达的趋势要求具有更密集线条和设计的新色散元件。

汉克霍根，特约编辑

  因为它们将光分成光谱成分，所以衍射光栅是现代光谱仪、高光谱成像仪、光学相干断层扫描系统和类似仪器的核心。未来，光栅可能会改进汽车激光雷达，这个市场每年可能达到数千万台。在过去的几年里，光栅还在减少光谱仪的占地面积方面发挥了作用，通过支持更紧凑和移动的设备极大地扩展了它们的市场。

熔融石英上的表面浮雕光栅。由易卜生光子学公司提供。

  光栅设计和制造方面的进步保证了更高效的光通量。不过，应用需求仍将决定光栅的选择，因此光栅基础将继续至关重要。

分离光

  早在 1700 年代，科学家们就认识到将光分离为其组成颜色进行分析的实用性。第一台光谱仪使用棱镜（通常是三角形玻璃片）来分离太阳光谱以进行研究。当光谱分离要求不严格时，棱镜今天仍然有用。但是到了 1800 年代中期，科学家们已经开始转向衍射光栅，它可以在更广泛的波长范围内提供更高效的通量，并呈现更明显的光谱分离角度以提供更高的光谱分辨率。光栅还可以在更广泛的波长范围内工作。

  衍射光栅通过类似于一系列狭缝的周期性结构来实现这些效果。这些特征导致入射光分离成其组成颜色，从而产生彩虹图案。

      “我们使用果冻三明治结构制作彩虹，”Wasatch Photonics 的高级光学工程师 Elroy Pearson 说。

 彩虹效应对所有光栅都很常见，但 Pearson 所指的“三明治”是该公司的体积相位全息光栅，它包括密封在两个刚性板之间的明胶层。这些光栅的设计与更广泛使用的由表面上的格线或凹槽组成的光栅类型形成对比。由 Wasatch 三明治实现的体积相位衍射技术使用高折射率和低折射率折射区域，并允许控制线密度和折射率差异。

两种类型的光栅。表面浮雕光栅将入射光反射并分散为组成颜色（左）。体积相位全息光栅透射和分散入射光（右）。由 MKS 仪器提供。

  无论构造方法或材料如何，由周期性结构产生的衍射过程使现代光谱学和高光谱成像系统成为可能。它还用于一种波长（例如电信信号）至关重要但其他波长无关或有害的应用中。在必须选择 40 或 80 个电信信道并将其相互分离的情况下，光栅提供了比使用多个窄带宽滤波器更紧凑的选择。

应用定义设计

  光学系统的设计决定了特定光栅类型的选择，MKS Instruments 的 Richardson 光栅高级产品经理 Craig Hanson 说，该公司生产机械刻划和全息图案的主光栅。

      “最重要的是确定你是在反射还是透射中使用光栅，”汉森说。

  反射光栅可以充当折叠镜，从而减小光学仪器的整体尺寸。光栅的设计还使它们在其基材吸收光的光谱区域中有效。例如，玻璃和树脂光栅可以反射紫外线波长。在此类应用中，将入射光束与光栅凹槽对齐以优化光栅性能非常重要。此外，温度变化引起的漂移会影 响仪器的维护和操作。

  透射光栅通过允许光学系统更好地补偿像差，同时实现具有高效率和对偏振低灵敏度的衍射信号，从而减少了温度问题。然而，透射光栅的光谱分辨能力可能低于反射光栅，因为相邻光束之间的路径差较小。

由于不同的制造方法，光栅有各种形状和尺寸。由 Wasatch Photonics 提供。

  光栅制造商可以帮助仪器开发人员平衡分辨率、效率、成本和交付时间等相互竞争的需求。

       Ibsen Photonics 光栅副总裁 Kristian Buchwald 说：“如果你做对了，那么你将获得高性能、高产量、单元间可重复的设备，”该公司生产熔融石英表面浮雕透射光栅.

  规则光栅制造商 OPCO Laboratory 的技术内部销售主管 Ryan Pasakinskas 表示，驱动光栅设计的主要考虑因素是优化效率和最大限度地减少杂散光。“传统上，直纹光栅提供更高的效率，而全息光栅提供更少的杂散光，”他说。

  当光栅分散光时，它是按顺序进行的。如果光栅是一个简单的镜子或透镜，原始光束的方向是零阶，并且每个额外的阶都以相对于该方向的角度色散。

  因此，光栅产生多个出射光束。但是大多数应用程序只使用一个（通常是一阶）。仪器设计必须考虑其他顺序，否则它们不需要的光会降低系统性能。

  用例驱动光栅设计，但即使是很小的应用程序更改也会影响性能。例如，MKS 的 Hanson 召回了一位客户，该客户设计了一种光栅来管理仪器中的可见光，然后将仪器的光谱范围扩展到了紫外线。更大的光谱覆盖范围增加了散射并降低了信噪比，因此需要对光栅进行调整。

  以每毫米线数表示，线密度对色散有直接影响光栅的性能。更高的线密度转化为更高的色散，这意味着更大的波长角分离。实际上，具有更高线密度的光栅允许具有宽波长范围的更紧凑的设计，或者在非常窄的波长范围内提供更高分辨率的设计。

  传统的刻线引擎，即在基板上划线的设备，会产生每毫米 300、600、1200 或 2400 条线的光栅。统治引擎的干涉定位现在使制造商能够拨入以前无法实现的线路密度。

      “这允许定制凹槽间距，因此定制分散，”OPCO 的 Pasakinskas 说。他说，定制间距可以开辟新的应用，通过启用适合特定应用需求的光栅线密度，而不是迫使系统设计人员使用传统的线密度。反过来，这种能力将为系统级设计提供更大的自由度。

      Wasatch Photonics 的 Pearson 表示，棱镜是由光栅和棱镜组成的复合光学元件，是色散光学的又一发展. 传统棱镜偏转紫色波长多于红色，而传统光栅则表现出相反的偏差。通过结合这两种光学元件，棱镜利用它们的色散能力，同时消除它们的原生光束偏差。它们通常为更复杂的光学组件提供紧凑、预对准的替代方案。

  为了说明棱镜的功能，Pearson 描述了最近为高分辨率光谱仪设计的原型。他说，通常情况下，UV-VIS 或 VIS-NIR 光谱仪可能使用每毫米线数少于 1000 条的光栅覆盖超过 500 nm 的光谱带。新设计使用线密度为每毫米 5422 线的棱镜，在测量小于 5 nm 的光谱带上实现了典型仪器色散的 5 倍以上。棱镜设计针对此应用进行了优化，并且由于其作为复合元素的性质而消除了对齐问题。

小包装的效率

  随着新兴光谱仪的尺寸越来越小，开发人员面临着设计和性能挑战。其中包括光栅的几何极限。衍射光的能力与每毫米凹槽的数量有关。汉森说，每毫米线数较低的光栅可能会在其目标衍射级中提供较低的强度。随着光谱仪的缩小，设计人员可能需要相应地调整线密度和其他光栅参数，以使用更小的色散元件保持分辨率。

高色散光栅棱镜或棱镜。深色的对角线是光栅，白色的三角形结构是棱镜。白光从左侧以一定角度进入棱镜，从右侧射出。蓝光与入射光分离并从底部出射。绿色光束来自光栅的成像。由 Wasatch Photonics 提供。

  汽车激光雷达是另一个将受益于光栅技术的大批量应用。易卜生的 Buchwald 说，具体来说，光栅可以实现非机械光束转向设计。光谱学需要广泛的波长覆盖范围以获取尽可能多的相关信号数据，而激光雷达则专注于以测距激光脉冲波长为中心的窄带。

  为了满足对紧凑、高性能光栅设计的需求，易卜生使用半导体制造平台来制造其产品。该公司的深紫外步进、光刻和蚀刻技术可以创建低至 100 nm 的特征尺寸，从而实现更高的线密度、增加的光谱色散和更小的光谱仪。

  易卜生的制造方法提供了可扩展、大批量和低成本的附加优势，Buchwald 说，这是“能够解决汽车激光雷达应用的先决条件”。

  他说，该公司的制造方法在更高的光栅分辨率下生产具有更高衍射效率的色散元件——这对紫外应用来说是一个好处，因为 200 nm 的光栅线和空间周期低于被衍射光的波长。