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選擇光柵需要考慮的問題

2025年01月02日 12:58:30      來源:杭州秋籟科技有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量:7

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Optometrics最主要的特色的產品是光柵,它的光柵衍射效率高,規(guī)格齊全,能夠滿足大多數的應用需求。

基本參數

尺寸公差 ±0.5mm

厚度公差 ±0.5mm

衍射效率

刻蝕光柵 60 - 80% at blaze X

全息光柵 45 - 65% at peak K

通光孔徑 90%

刻線相對于邊緣的平行度 ±0.5

選擇光柵需要考慮的問題

衍射效率:刻蝕光柵(ruled gratings)比全息光柵(holographic gratings)的效率高,因此,熒光激發(fā)和誘發(fā)輻射等應用應采用刻蝕光柵。從經驗來看,刻蝕光柵在2/33/2閃耀波長處的一級衍射會會降低一半。

閃耀波長:刻蝕光柵相對于全息光柵,由于“鋸齒”槽型,在中心波長附近有比較尖銳的峰值,而全息光柵的光譜響應則相對平緩。刻蝕光柵能夠獲得以光柵閃耀波長為中心的窄線寬光譜。

波長范圍:光柵的光譜范圍由刻槽密度決定,對于擁有相同光柵常數的刻蝕光柵和全息光柵,光譜范圍是相同的。光柵的衍射范圍等于兩倍的光柵周期,當入射光和衍射光分別與光柵法線成90°的時候,將獲得的衍射范圍。

雜散光:對于拉曼光譜等特殊應用來說,信噪比非常關鍵,全息光柵將發(fā)揮其低雜散光的的優(yōu)勢。

分辨能力:分辨能力由刻槽密度決定。然而,全息光柵可以做到3600/mm,而刻蝕光柵只能做到1200/mm

矩形/刻槽方向

除非單獨說明,矩形光柵的刻槽都是平行的。

制造的工藝

19世紀40年晚期,WhiteFrazer發(fā)展了精密的復制工藝,使一個熟練的技術工人就能生產大量的復制光柵(包括刻蝕光柵和全息光柵)。它是一種能夠將三維結構光柵轉移到另一塊基質上的工藝,其再造工藝的公差極小。這種工藝使光柵的商品化成為可能,并且使光柵在光譜儀行業(yè)得到廣泛推廣。

衍射光柵

衍射光柵是在適當的基質上鍍反射膜,并由一系列平行刻槽組成的。相鄰刻槽的間距以及刻槽與基質所成的夾角將影響光柵的色散和衍射效率。如果入射光的波長比刻槽間距大的多,就不會發(fā)生衍射現象。反之,如果入射光的波長比刻槽間距小的多,刻槽的表面就相當于鏡子,鏡面反射使衍射也不會發(fā)生。

刻槽的組成形式不同使光柵分成兩大類,刻蝕光柵和全息光柵。用刻線機在刻槽表面形成棱角,形成的是刻蝕光柵。根據激光干涉的原理,用全息相干的方法形成的光柵就是全息光柵。

Optometrics是少數幾個能夠生產刻蝕和全息兩大類光柵,且擁有全套制造設備和工序的公司之一??涛g光柵和全息光柵的不同在于他們光學特性以及他們在不用場合應用的特點。

光柵方程

光柵的通用公式寫為:

  n是衍射級次,λ是衍射波長,d是光柵常數(槽間距),i是入射光于光柵法線的夾角,i’是衍射光與法線的夾角。

  對于特定的衍射級(n),入射角 ( i) 和不同的波長(λ,可以根據公式推出不同的衍射角(i’)。多色的光輻射入射到光柵上就能將不同波長的光區(qū)分開。

刻槽過程

制作原版光柵或者刻蝕光柵刻槽工藝步就是選擇適當的基質,通常采用玻璃或者銅,并將其拋光,然后用真空沉積法鍍上一層薄薄的鋁??滩凼且粋€很耗時間的工序,可能需要花上幾天時間來安裝并測試。劃線機根據預定的數量和軌跡進行精確的劃槽。同時要進行一系列的測試,測試衍射效率,槽型和雜散光。每一次測試后,整個機構都會作出細微的調整。對于特殊光學特性的槽型,可能要花費一個星期甚至更長時間進行測試。在所有測試完成后,一個原版光柵就基本上刻劃好了。顯然,原版光柵是相當昂貴的,因此,原版光柵僅僅在需要進行復制工序的時候才用到。

全息相干制造光柵過程

和刻蝕光柵一樣,全息光柵制作的步也是選擇合適的基質。而基質上鍍的是光敏或者感光材料,而不象刻蝕光柵一樣鍍反射膜。然后將感光材料在激光產生的單色相干光束下暴光。相互作用的激光束形成一系列平行且間隔相等的干涉帶,其強度按照正弦規(guī)律變化。由于感光材料的可溶性根據變化的相干光的強度而有所變化,因此當感光材料在這樣的相干光束下暴光后,就變成反光材料。全息光柵的復制方法和刻蝕光柵相同。

全息光柵是用光學的方法制造的,因此線型和線密度都能控制得非常精密。也因此而沒有周期誤差,使得雜散光基本上就沒有了。

衍射效率

影響光柵衍射的主要因素有,刻槽形狀,入射角度和膜層的反射。

光柵的效率是某衍射級單色光所占的百分比。而相對效率是光柵衍射與鍍相同膜層平面鏡的衍射光強的比值。當對比光柵曲線的時候,這一點是非常重要的。對同一個光柵而言,相對的效率曲線看起來總是比效率更高一些。

入射角度對光柵的衍射起了重要的作用。因為光柵的結構可以有無數的形式,所以可用標準的幾何結構來模擬并進行光柵的計算。在Littrow結構總,衍射級可以按入射光的路徑原路引回??涛g光柵的閃耀角度就是按照這種結構方式計算出來的。這種結構在激光調諧應用中是很實用的,但是大多數情況下,都要求入射光和衍射光分開。這種入射光和衍射光分開的結構除了會影響的波長范圍以外,幾乎不大影響光柵的使用。除非特別說明,本說明所有的描述都是Littrow結構的一級衍射。

閃耀角和波長

刻蝕光柵的槽擁有鋸齒型結構,一條邊大于另一條邊。鋸齒的長邊與光柵平面的夾角就是閃耀角。改變閃耀角使衍射光指向光譜的特定區(qū)域,也就是會增加該區(qū)域光柵的衍射效率。衍射高的波長就是閃耀波長。

因為全息光柵不能把衍射級別分的很清楚,因此,全息光柵的衍射效率比刻蝕光柵的低。在某些情況下,他們正弦的結構可以換成和刻蝕光柵效率接近的結構。但是這種情況比較特殊,必須事先聲明。例如,當槽間距和波長的比值接近1時,正弦型光柵的效率就和刻蝕光柵基本上一致了。500nm閃耀波長的1800/mm的全息光柵,其衍射效率可以刻蝕光柵相同。此外,Optometrics還可以采用特殊的工藝,使全息光柵獲得閃耀波長為250nm的真正鋸齒型。這種結構就是紫外應用中高衍射效率,低雜散光的理想光柵。

分辨能力

光柵分辨能力可以通過光柵對入射光的截止衍射級推算出來。它也可以用光柵寬度,槽間距和衍射角的形式表示。N線的衍射光柵的理論分辨能力是:

實際的光柵分辨能力由刻槽精度,以及80~90%高質量刻槽的理論值。

分辨能力和分辨率一樣,是光柵的特性參數,和光柵應用系統(tǒng)的光學和機械特性無關。

系統(tǒng)分辨率

根據瑞利準則( ),光學系統(tǒng)的分辨率由光柵分辨能力,焦距,狹縫尺寸,F數,所有組件的光學質量以及系統(tǒng)準直程序決定。光學系統(tǒng)的分辨率通常會比光柵的分辨能力小很多。

色散

光柵的角色散是由入射角和槽間距決定的。通過增大入射角或者減小槽間距可以提高角色散。大色散光柵可以在緊湊的光學系統(tǒng)中獲得良好的分辨率。

色散是 曲線的斜率。在自準直儀中,色散的公式是:

這個公式可以用來決定光柵中兩個譜線分開的角度或者在給定角度的情況下的帶寬。

衍射級別

對于給定的角度和槽間距,光柵公式都可以根據不同的波長,推算幾個衍射級。當入射光緩慢加強的時候,相鄰刻槽的衍射都會得到加強。衍射級的產生受到槽間距和入射角(顯然<90°)的限制。對于更高的衍射級,效率和光譜范圍都會降低,而色散將會增加。衍射級的重疊可以通過改變光源的方向,探測器的位置,和濾波片來解決,而且,對于光柵低次衍射級來說,這個不是主要問題。

自由光譜范圍

自由光譜范圍是在沒有光譜重疊的情況,特定的衍射級能夠獲得的光譜帶寬。當槽間距減小的時候,自由光譜范圍就會增加。衍射級越高,光譜范圍越小。如果 λ1λ2分別是上下極限,那么自由光譜范圍就是:

鬼線和雜散光

鬼線的定義是,由于槽間距的周期誤差而產生的假的譜線。干涉測量法可以控制刻槽實現最小的鬼線,而全息過程則可以消除它。

對于刻蝕光柵,雜散光起源于反射表面的不規(guī)則和隨機誤差。全息光柵的相干光在感光材料上的作用,不會受不規(guī)則和不確定機械結構影響,因此,雜散光很小。

尺寸

光柵的標準尺寸有12.5mm50mm的正方形或者矩形。非標準的規(guī)格也可以定制。除非特別說明,矩形光柵的刻線都是平行的。

基質

各種光柵都可以在浮法玻璃,耐熱玻璃或者微晶玻璃上復制。對于3mm,4mm,5mm6mm,9.5mm12mm厚度的這三種基質,Optometrics都有庫存。其他材料或者厚度也可以定制。

膜層

用于紫外,可見和紅外波段的光柵復制的時候通常都是采用鋁膜。因為鋁的抗氧化能力和對紫外光的反射能力都比銀更強,因此,通常鍍的都是鋁膜。除了750~900nm以外,從200nm到遠紅外的范圍內,鋁的反射率都超過90%750~900nm的反射率大約為85%。如果在近紅外波段要求的反射率,或者應用在光纖光學方面,鋁層上面一般都會再鍍上金。雖然金很軟,但是金的抗氧化能力高,且近紅外波段的反射率超過96%,2微米以上波段的反射率超過98%。在600nm以下,金的反射率的急劇降低,因此,不推薦其應用在可見和紫外波段。

電離涂敷層如氟化鋁美(AlMgF2)可以保護鋁層不被氧化,保持鋁在可見和紫外區(qū)的高的反射率。金涂敷層和氟化鋁美電離層必須在訂購的時候提前說明,且需要另外付費。

雖然金涂敷層可以提高反射率,但是任何涂敷層都會降低損壞閾值兩倍以上。

損壞閾值

標準光柵:

Pulsed ..................350 milli-joules/cm2 @ 200 n sec

CW ......................40 watts/cm2

P型光柵(脈沖型):

Pulsed .................3.5 joules/cm2 @ 200 n sec.

CW ......................80 watts/cm2

CW型光柵(高功率應用的):

Pulsed ................. 3.5 joules/cm2 @ 200 n sec

CW .................... 250 watts/cm2

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