光學(xué)理論干貨：關(guān)于光柵的應(yīng)用原理

??由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵(grating)。一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一狹縫。精制的光柵，在1cm寬度內(nèi)刻有幾千條乃至上萬條刻痕。

??這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵稱為反射光柵。

??下面我們來一起看一下關(guān)于光柵的應(yīng)用原理：

??折射原理

??利用光柵視覺軟體把不同的圖案轉(zhuǎn)化成光柵線數(shù)，利用光柵折射的原理，在不同的角度呈現(xiàn)出不同的圖案，不同規(guī)格的光柵會(huì)有不同的折射效果與折射角度，觀賞距離也會(huì)有所不同，所以在設(shè)計(jì)光柵效果圖檔的時(shí)候，必須先了解光柵才能設(shè)計(jì)出符合光柵特性的設(shè)計(jì)圖。

??視覺效果

??光柵效果可以分為以下幾種：立體[3D]、兩變[Flip]、變大變小[Zoom]、爆炸[Explosion]、連續(xù)動(dòng)作[Animation]、扭轉(zhuǎn)[Twist]等，其實(shí)可以更簡化分類為：立體[3D]、變圖[Flip]，在變圖中就涵蓋所有變化的效果，這些效果可以透過許多市面上的動(dòng)畫軟體、繪圖軟體、網(wǎng)頁多媒體軟體，產(chǎn)生所需要的分解圖檔，經(jīng)由光柵視覺軟體將分解圖合成為光柵線數(shù)即可將平面的效果做成立體[3D]、變圖[Flip]的特殊效果。

??光柵原理

??光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當(dāng)復(fù)色光通過光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。

??衍射光柵在屏幕上產(chǎn)生的光譜線的位置，可用式

??表示。式中a代表狹縫寬度，b代表狹縫間距，φ為衍射角，θ為光的入射方向與光柵平面法線之間的夾角，k為明條紋光譜級(jí)數(shù)(k=0，±1，±2……)，λ為波長，a+b稱作光柵常數(shù)。用此式可以計(jì)算光波波長。光柵產(chǎn)生的條紋的特點(diǎn)是：明條紋很亮很窄，相鄰明紋間的暗區(qū)很寬，衍射圖樣十分清晰。

??因而利用光柵衍射可以精確地測定波長。衍射光柵的分辨本領(lǐng)R=l/Dl=kN。其中N為狹縫數(shù)，狹縫數(shù)越多明條紋越亮、越細(xì)，光柵分辨本領(lǐng)就越高。增大縫數(shù)N提高分辨本領(lǐng)是光柵技術(shù)中的重要課題。

??最早的光柵是1821年由德國科學(xué)家J.夫瑯和費(fèi)用細(xì)金屬絲密排地繞在兩平行細(xì)螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為“光柵”?，F(xiàn)代光柵是用精密的刻劃機(jī)在玻璃或金屬片上刻劃而成的。

??光柵是光柵攝譜儀的核心組成部分，其種類很多。按所用光是透射還是反射分為透射光柵、反射光柵。反射光柵使用較為廣泛;按其形狀又分為平面光柵和凹面光柵。此外還有全息光柵、正交光柵、相光柵、閃耀光柵、階梯光柵等。

??分光原理

??由光柵方程

??可知，對(duì)于相同的光譜級(jí)數(shù)m，以同樣的入射角α投射到光柵上的不同波長λ1、λ2、λ3……組成的混合光，每種波長產(chǎn)生的干涉極大都位于不同的角度位置;即不同波長的衍射光以不同的衍射角β出射。

??這就說明，對(duì)于給定的光柵，不同波長的同一級(jí)主級(jí)大或次級(jí)大(構(gòu)成同一級(jí)光柵光譜中的不同波長譜線)都不重合，而是按波長的次序順序排列，形成一系列分立的譜線。這樣，混合在一起入射的各種不同波長的復(fù)合光，經(jīng)光柵衍射后彼此被分開。這就是衍射光柵的分光原理。

審核編輯：湯梓紅