衍射光栅

衍射光栅是一种周期性结构，通过多光束干涉将光色散成其组成波长，是光谱学的核心。

Definition

一种周期性结构的光学元件，根据光栅方程将入射光衍射成波长相关的离散级次，用于按波长色散和分析光。

Scope

本主题涵盖周期性衍射结构的物理学和应用。它包括将衍射角与波长、光栅级次和刻线间距相关联的光栅方程；透射光栅和反射光栅以及振幅光栅和相位光栅之间的区别；将光集中到选定级次的闪耀；以及决定性能的光谱分辨能力和自由光谱范围。它将光栅视为光谱仪和单色仪的色散元件，以及脉冲压缩和光束控制中的组件。

Core questions

• 光栅方程如何确定每个波长的衍射角？
• 是什么决定了光栅的光谱分辨能力？
• 闪耀如何将光导向有用的衍射级次？
• 光栅与棱镜在色散光方面有何不同？

Key concepts

• 光栅方程
• 衍射级次
• 刻线间距
• 光谱分辨能力
• 自由光谱范围
• 闪耀光栅
• 透射光栅和反射光栅
• 色散

Key theories

光栅方程

当相邻刻线之间的光程差是波长的整数倍时，许多等间距刻线会发生相长干涉，从而产生取决于波长、级次和刻线间距的衍射角。

分辨能力和闪耀

光栅的分辨能力等于衍射级次与被照亮刻线数量的乘积，而刻线轮廓的整形（即闪耀）将衍射能量集中到选定的级次以提高效率。

Clinical relevance

光栅是临床化学分析仪、血气和血氧饱和度测量以及光谱域光学相干断层扫描中使用的光谱仪的色散元件，它们将光分离成不同波长进行分析。

History

里滕豪斯于1786年用细线制作了早期的光栅，弗劳恩霍夫在19世纪早期制作了刻划光栅以研究太阳光谱，并发现了以他命名的吸收线。罗兰在19世纪80年代制造的精密刻划机生产出大型、精确的光栅，彻底改变了光谱学。

Key figures

• Joseph von Fraunhofer
• Henry Augustus Rowland
• David Rittenhouse

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

为什么光栅会同时产生多个光谱？

光栅方程对多个整数级次都成立，因此给定波长的光会衍射到多个方向，每个方向对应一个不同的级次并产生一个独立的光谱。

光栅在光谱学方面如何优于棱镜？

光栅的色散在波长上更接近线性，并且通过使用大量刻线可以使其分辨能力非常高，而棱镜依赖于材料色散，通常分辨率较低。