什么是刻線衍射光柵 刻線衍射光柵的作用

為商業(yè)用途制造的第一個(gè)衍射光柵是機(jī)械劃線的，通過(guò)用金剛石工具在施加到平面或凹面上的蒸發(fā)金屬的薄涂層上單獨(dú)拋光凹槽來(lái)制造。這種刻劃光柵的復(fù)制品被用于許多類(lèi)型的激光器、光譜儀器和光纖通信設(shè)備。

刻劃?rùn)C(jī)器

刻線衍射光柵生產(chǎn)中最重要的部件是被稱(chēng)為刻線設(shè)備，在該設(shè)備上對(duì)母光柵進(jìn)行刻線。這些設(shè)備中的每一個(gè)都產(chǎn)生具有非常低的羅蘭重影、高分辨率和高效率均勻性的光柵。

選定的金剛石，其晶體軸被定向以獲得最佳行為，用于形成光柵槽?？叹€金剛石由熟練的金剛石工具制造商精心成型，以產(chǎn)生每個(gè)光柵所需的精確凹槽輪廓。在刻線過(guò)程中來(lái)回移動(dòng)鉆石的支架必須將其位置保持在幾納米以上，刻線時(shí)間可能從一天持續(xù)到幾周。

The Michelson 設(shè)備

1947年，Bausch & Lomb從芝加哥大學(xué)獲得了其第一臺(tái)刻劃設(shè)備；這臺(tái)設(shè)備最初由邁克爾遜在1910年代設(shè)計(jì)，并由Gale重建。它經(jīng)過(guò)了進(jìn)一步的改進(jìn)，大大提高了性能，并連續(xù)生產(chǎn)出高達(dá)200 x 250毫米刻線區(qū)域高的質(zhì)量光柵。

邁克爾遜設(shè)備最初使用干涉儀系統(tǒng)來(lái)繪制導(dǎo)螺桿的誤差曲線，從中推導(dǎo)出合適的機(jī)械校正凸輪。1990年，該系統(tǒng)被基于激光干涉儀的數(shù)字計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)所取代。邁克爾遜設(shè)備的不同尋常之處在于，它涵蓋了所有標(biāo)尺設(shè)備中最寬的凹槽頻率范圍：它可以標(biāo)尺粗至每毫米32個(gè)凹槽（g/mm）、細(xì)至5400 g/mm的光柵。

The Mann設(shè)備

第二臺(tái)刻線設(shè)備自1953年以來(lái)一直在生產(chǎn)光柵，最初由馬薩諸塞州林肯市的大衛(wèi)·W·曼公司建造。Bausch&Lomb按照麻省理工學(xué)院Harrison的技術(shù)為其配備了干涉控制系統(tǒng)。Mann設(shè)備可以對(duì)110 x 110毫米以下的區(qū)域進(jìn)行刻線，幾乎沒(méi)有可檢測(cè)到的重影，分辨率接近理論。

雖然刻線設(shè)備的導(dǎo)螺桿被研磨到可達(dá)到的最高精度，但螺紋和軸承中始終存在殘余誤差，必須進(jìn)行補(bǔ)償才能產(chǎn)生最高質(zhì)量的光柵。Mann設(shè)備配備了一個(gè)自動(dòng)干涉儀伺服系統(tǒng)，當(dāng)每個(gè)凹槽被規(guī)則化時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)不斷地將光柵支架調(diào)整到正確的位置。實(shí)際上，伺服系統(tǒng)模擬了一個(gè)完美的螺絲。

The MIT 'B' 設(shè)備

第三臺(tái)刻線設(shè)備由Harrison建造，并于1968年遷至Rochester。它具有將平面光柵刻劃到有史以來(lái)最高精度的能力；這些光柵可以高達(dá)420mm寬，具有高達(dá)320mm長(zhǎng)的凹槽（每毫米在20和1500之間）。它使用基于頻率穩(wěn)定激光器的雙干涉儀控制系統(tǒng)，不僅可以監(jiān)測(cè)工作臺(tái)的位置，還可以校正殘余偏航誤差。

該設(shè)備產(chǎn)生的光柵幾乎具有理論分辨率，實(shí)際上消除了羅蘭鬼影，并最大限度地減少了雜散光。它還能刻劃幾乎完美的階梯光柵，這是刻劃設(shè)備最苛刻的應(yīng)用。

The MIT 'C' 設(shè)備

第四臺(tái)刻劃設(shè)備也由Harrison于20世紀(jì)60年代建造，并于20世紀(jì)70年代移交給亞利桑那州圖森市的天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)（AURA），在那里安裝它是為了支持Kitt Peak National Observatory。當(dāng)時(shí)，使用集成電路技術(shù)將原來(lái)的控制系統(tǒng)升級(jí)為固態(tài)系統(tǒng)。1995年，該設(shè)備被 Richardson Gratings公司收購(gòu)并轉(zhuǎn)移到該公司。開(kāi)發(fā)了一種基于激光的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩個(gè)干涉儀進(jìn)行平移和偏航校正?！癈”設(shè)備的光柵架行程為813毫米，可以對(duì)凹槽長(zhǎng)度為460毫米的光柵進(jìn)行劃線；該設(shè)備具有高達(dá)400毫米x 600毫米的光柵，具有良好的波前和效率特性，與“B”設(shè)備的光柵相當(dāng)。

母光柵是在精心挑選的幾種不同材料的退火良好的基板上劃線的。通?？稍贐K-7光學(xué)玻璃、特殊等級(jí)的熔融二氧化硅或特殊等級(jí)的肖特ZERODUR之間進(jìn)行選擇。對(duì)于綠光，這些襯底的光學(xué)表面被拋光至接近λ/10，然后涂上反射膜（通常是鋁或金）。

在刻劃設(shè)備周?chē)沫h(huán)境中，補(bǔ)償溫度和大氣壓力的變化尤其重要。對(duì)于小型刻劃設(shè)備，室溫必須保持在0.01°C以?xún)?nèi)（對(duì)于大型設(shè)備，室溫保持在0.005°C以?xún)?nèi)）。由于刻劃過(guò)程的干涉控制使用單色光，其波長(zhǎng)對(duì)空氣折射率隨壓力波動(dòng)的變化很敏感，因此大氣壓力必須由系統(tǒng)補(bǔ)償。2.5毫米汞柱（300帕）的壓力變化會(huì)導(dǎo)致百萬(wàn)分之一波長(zhǎng)的相應(yīng)變化。如果干涉儀的光路接近零，則這種變化可以忽略不計(jì)，但在刻線過(guò)程中，隨著光路的增加，這種變化會(huì)變得顯著。如果這種影響得不到補(bǔ)償，則刻線設(shè)備的托架控制系統(tǒng)將對(duì)波長(zhǎng)的這種變化做出反應(yīng)，從而導(dǎo)致凹槽間距的變化，這種變化很容易傳遞到金剛石上。這可以通過(guò)將設(shè)備支座懸掛在彈簧上來(lái)實(shí)現(xiàn)，該彈簧隔離從2或3 Hz到大約60 Hz的頻率之間的振動(dòng)，高于該頻率的振動(dòng)幅度通常太小而不會(huì)對(duì)刻線母光柵質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

母光柵的實(shí)際刻劃是一個(gè)漫長(zhǎng)、緩慢和艱難的過(guò)程。在刻劃開(kāi)始之前，設(shè)備的設(shè)置需要高超的技巧和耐心。關(guān)鍵對(duì)準(zhǔn)需要使用高功率干涉顯微鏡，或者使用電子顯微鏡來(lái)獲得更精細(xì)的凹槽。

在每次顯微鏡檢查后，重新調(diào)整金剛石，直到操作者確信凹槽形狀適合被劃線的特定光柵。這種艱苦的調(diào)整雖然耗時(shí)，但會(huì)產(chǎn)生非常“明亮”的光柵，幾乎所有衍射光能都集中在光譜的特定角度范圍內(nèi)。這種選擇性地將光集中在光譜的某一部分的能力是閃耀衍射光柵與所有其他光柵的區(qū)別。

成品母光柵經(jīng)過(guò)仔細(xì)測(cè)試，以確保其完全符合規(guī)范要求。為評(píng)估所有重要特性而進(jìn)行的各種測(cè)試包括光譜分辨率、效率、羅蘭重影強(qiáng)度和表面精度。適當(dāng)時(shí)使用波前干涉測(cè)量法。如果光柵符合所有規(guī)格，那么它將被用作我們復(fù)制光柵的母版。

可變線間距（VSL）光柵

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們一直在努力保持連續(xù)凹槽之間的間距均勻，因?yàn)槟腹鈻攀强虅澋摹Ｔ?893年的一篇論文中，Cornu意識(shí)到凹槽間距的變化改變了衍射波前的曲率。雖然周期性和隨機(jī)變化被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生雜散光，但Cornu認(rèn)識(shí)到光柵表面上凹槽間距的均勻變化會(huì)改變光譜焦點(diǎn)的位置，如果適當(dāng)考慮，則不需要將其視為缺陷。他確定，如果在準(zhǔn)直入射光中使用平面經(jīng)典光柵，其本身就沒(méi)有聚焦特性，如果在其凹槽間距中存在系統(tǒng)性的“誤差”，則該光柵將聚焦衍射光。他能夠通過(guò)繪制三個(gè)光柵來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)，這些光柵的凹槽位置被指定為隨著每個(gè)凹槽的繪制而變化。這種光柵，其中直平行凹槽的圖案在連續(xù)凹槽之間具有可變但明確定義的（盡管不是周期性的）間距，現(xiàn)在被稱(chēng)為可變線空間（VLS）光柵。VLS光柵尚未在商業(yè)儀器中使用，但偶爾會(huì)在同步加速器光源的光譜系統(tǒng)中使用。

編輯：黃飛