刻劃光柵和全息光柵的區(qū)別

由于刻劃光柵和全息光柵的制造工藝之間的區(qū)別，每種類型的光柵相對(duì)于另一種都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本文將對(duì)其進(jìn)行簡單描述。

光柵效率的差異

刻劃光柵和全息光柵的效率曲線通常相差很大，盡管這是凹槽輪廓差異的直接結(jié)果，而不是嚴(yán)格地由于制造主光柵的方法。例如，使用Sheridon方法制造的全息光柵具有幾乎三角形的凹槽輪廓，因此其效率曲線看起來更像刻劃光柵而不是正弦凹槽全息光柵。

沒有明確的經(jīng)驗(yàn)法來描述刻劃光柵和全息光柵之間效率曲線的差異;深入了解這些差異的最佳方法是查看每種光柵類型的代表性效率曲線。Loewen和Popov的《衍射光柵及其應(yīng)用》一書收集了大量關(guān)于平面反射光柵、透射光柵、階梯光柵和凹光柵效率行為的效率曲線和評(píng)論。

散射光的差異

由于全息光柵不需要將凹槽拋光成金屬薄層，因此其凹槽上的表面不規(guī)則性與刻劃光柵不同。此外，在同時(shí)形成所有凹槽的干涉光柵中不存在劃線誤差，劃線誤差是刻劃光柵具有一個(gè)又一個(gè)凹槽的事實(shí)的表現(xiàn)。全息光柵，如果制作得當(dāng)，可以完全沒有小的周期性和隨機(jī)凹槽放置誤差。全息光柵可以為從光柵表面散射的光具有性能限制的光譜系統(tǒng)提供優(yōu)勢(shì)，例如在固體樣品拉曼光譜的研究中，盡管適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)計(jì)對(duì)于確保光學(xué)系統(tǒng)的性能不受其他雜散光源的限制至關(guān)重要。

雖然全息光柵通常比早期的刻劃光柵表現(xiàn)出更低的散射光，但現(xiàn)代控制系統(tǒng)和改進(jìn)的母版涂層已經(jīng)產(chǎn)生了刻劃母版，其復(fù)制品表現(xiàn)出的散射光與全息母版的復(fù)制品一樣低。一些商業(yè)上可買到的拉曼光譜儀現(xiàn)在使用刻劃光柵，因?yàn)樗鼈兊纳⑸涔馓匦陨踔吝m用于如此苛刻的應(yīng)用。

凹槽輪廓的差異和限制

凹槽輪廓對(duì)從光柵衍射的光強(qiáng)度具有顯著影響。雖然刻線光柵可能具有三角形或梯形凹槽輪廓，但全息光柵通常具有正弦(或近似正弦)凹槽輪廓(見圖4-5)。刻劃光柵和全息光柵，除了凹槽輪廓外，在各個(gè)方面都是相同的，對(duì)于給定的波長和光譜階次，將具有明顯不同的效率(衍射強(qiáng)度)。此外，刻劃光柵比全息光柵更容易閃耀(通過選擇拋光金剛石的適當(dāng)形狀)，全息光柵通常通過離子轟擊(離子蝕刻)閃耀。衍射到光柵的使用階數(shù)中的強(qiáng)度的差異意味著所有其他階次中強(qiáng)度的差異;其他階數(shù)的過量能量通常使得雜散光的抑制更加困難。

光柵表面上凹槽輪廓特性的分布也可能在刻劃光柵和全息光柵之間有所不同。對(duì)于刻劃凹面光柵，分面角度不一致，有效閃耀波長從光柵的一側(cè)到另一側(cè)都不同。另一方面，全息光柵通常在其表面上表現(xiàn)出更小的效率特性變化。光柵是通過在刻劃過程中改變襯底上不同位置的刻面角度來刻劃的。這些所謂的 "multipartite"光柵，其中劃線被中斷，金剛石在光柵寬度的不同位置重新定向，顯示出增強(qiáng)的效率，但不能提供不間斷劃線所期望的分辨率(因?yàn)榘疾鄣拿總€(gè)部分可能與其他部分異相)。

圖4-5 適用于刻劃光柵和全息光柵的理想凹槽輪廓。(a) 三角形凹槽，代表典型刻劃光柵的輪廓。(b) 正弦凹槽，代表典型全息光柵的輪廓。

可獲得凹槽頻率范圍

刻劃光柵和全息光柵每毫米的凹槽數(shù)量可以在非常寬的范圍內(nèi)變化。這兩種類型的光柵都可以用非常粗糙的凹槽圖案制成——刻劃光柵低至30g/毫米，全息光柵低至1g/毫米。作為上限，全息光柵和刻劃光柵都已被生產(chǎn)出凹槽密度高達(dá)每毫米10000個(gè)凹槽。

凹槽樣式的差異

構(gòu)成絕大多數(shù)刻劃光柵的經(jīng)典刻劃平面光柵具有等間距的直槽。經(jīng)典的刻劃凹面光柵具有不等間隔的凹槽，這些凹槽在光柵表面上形成圓弧，但當(dāng)投影到與光柵中心相切的平面上時(shí)，這種凹槽圖案仍然是一組等間隔的直線。[它是控制成像的投影凹槽圖案。]即使是規(guī)則可變線空間(VLS)光柵也不包含彎曲凹槽，除非在彎曲基板上。因此，刻劃光柵可能的像差降低僅限于刻劃槽可能的像差減少，盡管這種限制是由于當(dāng)今的刻劃設(shè)備可能發(fā)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而不是拋光過程本身。

另一方面，全息光柵不需要具有直槽。可以修改凹槽曲率以減少光譜中的像差，從而提高成像光譜儀的吞吐量和光譜分辨率。一種常見的光譜儀支架是平場光譜儀，其中光譜被成像到平面探測(cè)器陣列上，同時(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)波長。全息光柵可以顯著改善這種光柵系統(tǒng)的成像，而經(jīng)典的刻劃光柵不適合在沒有輔助光學(xué)器件的情況下形成聚焦良好的平面光譜。

基板形狀的差異

用于記錄全息光柵的干涉圖案不取決于襯底形狀或尺寸，因此光柵可以更容易地在低數(shù)量的襯底上進(jìn)行干涉記錄，而不是在這些襯底上進(jìn)行機(jī)械劃線。因此，全息凹面光柵更自然地適用于短焦距的系統(tǒng)。不尋常曲率的全息光柵可以很容易地記錄下來;當(dāng)然，可能仍然存在與這種光柵的復(fù)制和測(cè)試相關(guān)的技術(shù)問題。

襯底形狀影響光柵效率特性和成像性能。

光柵效率取決于凹槽輪廓以及光入射和衍射的角度;對(duì)于凹面光柵，凹槽輪廓和局部角度都隨光柵表面位置的變化而變化。這導(dǎo)致效率曲線是光柵的小區(qū)域的各種效率曲線的總和，每個(gè)區(qū)域都有自己的凹槽輪廓以及入射角和衍射角。

光柵成像取決于光柵表面上衍射光線的方向，這反過來又受局部凹槽間距和曲率(即凹槽圖案)以及局部入射角的控制。對(duì)于用于準(zhǔn)直光的傳統(tǒng)平面光柵，光柵表面上的凹槽圖案和入射角都是相同的，因此所有衍射光線都是平行的。然而，對(duì)于凹面襯底上的光柵，凹槽圖案通常與位置有關(guān)，局部入射角也是如此，因此衍射光線不平行——因此光柵具有聚焦(成像)特性和色散特性。

主基板尺寸的差異

雖然刻劃主光柵通常可以大到320 x 420mm，但全息主光柵很少如此大，這是由于記錄設(shè)備包含非常大的高質(zhì)量透鏡或反射鏡的要求，以及由于遠(yuǎn)離主光柵基板中心的光焦度降低。

主光柵生成時(shí)間的差異

通過對(duì)每個(gè)凹槽進(jìn)行單獨(dú)拋光而形成刻劃主光柵;要做到這一點(diǎn)，刻劃金剛石可能會(huì)移動(dòng)非常大的距離來刻劃一個(gè)光柵。例如，尺寸為100 x 100毫米、每毫米有1000個(gè)凹槽的方形光柵需要金剛石移動(dòng)10公里(超過6英里)，這可能需要幾周的時(shí)間才能確定。

另一方面，在主全息光柵的制造中，凹槽是同時(shí)產(chǎn)生的。曝光時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘不等，這取決于所用激光的強(qiáng)度和光致抗蝕劑在該波長下的光譜響應(yīng)(靈敏度)。即使計(jì)算準(zhǔn)備和開發(fā)時(shí)間，全息主光柵的生產(chǎn)速度也比刻劃主光柵快得多。當(dāng)然，一個(gè)極其穩(wěn)定和清潔的光學(xué)記錄環(huán)境是記錄精密全息光柵所必需的。對(duì)于平面光柵，需要高級(jí)準(zhǔn)直光學(xué)器件，這可能是對(duì)較大光柵的限制。

審核編輯 黃宇