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光栅原理

光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。

衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式 表示。式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数(k=0，±1，±2……)，λ为波长，a b称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精i确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。光谱1是一“样品光谱”来自狭缝1而光谱2是一参考光谱来自狭缝2。

光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；才能避免不需要级次光谱的干扰，才能保证紫外可见分光光度计的分辨率和分析测试数据的准确性和可靠性。按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、闪耀光栅、阶梯光栅等。

全息光栅

随着全息激光技术的发展，出现了采用激光干涉照相法制作的衍射光栅，这种光栅称为全息光栅。

在磨制好的光栅毛坯上均匀涂布一层光敏物质，然后置于同一单色光源的两束激光干涉场中***。把明暗相同的干涉条纹记录在光敏层上。将已***的坯基浸入一种特殊的溶液中，涂层各部分由于所接受的***量不同而受到不同程度的溶蚀，从而在坯基上出现了与干涉条纹相当的槽线，在真空中镀上反射铝膜和保护膜就制成全息光栅。描述光栅结构与光的入射角和衍射角之间关系的公式叫“光栅方程”。

全息光栅的特点为：

（1）无鬼线，杂散光极i小。

（2）衍射效率较低，全息光栅的槽形通常为近似正弦波形，这种槽形不具备闪耀条件，没有明显的闪耀特性。

（3）分辨率高。由于全息技术使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。

刻划光栅和全息光栅凹槽的对比，全息光栅的凹槽一般为正弦形，而刻划光栅一般为锯齿形。锯齿形具有更高的衍射效率。

平面全息光栅

全息光栅通常用于对杂散光敏感的应用中。其基底镀有光敏材料，将有光敏材料涂层的基板置于由激光器产生的单色光和相干光束组成的相交光束之间，使光敏材料感光。相交激光束产生一系列平行且等距的干涉条纹，条纹强度按照正弦曲线形状变化。由于光敏材料的溶解度由对其照射的光强决定，干涉条纹显示了光敏材料表面不同光强。然后可以对基底镀反射膜然后用与复i制刻划的原始光栅相同的过程用于复i制。由于全息光栅刻线形状以及刻线间距是完全一致的，所以产生的杂散光远少于刻划光栅。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光的在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。全息光栅可以采用两种凹槽轮廓，正弦和闪耀。

透射式光栅

透射式光栅光路设计简单，对于使用固定式光栅的应用，透射光栅优势明显，比如光谱仪。入射光束在光栅背面以固定角度发生色散。透射光栅对一些类型的光栅准直误差不敏感。为了获得高衍射效率，透射光栅刻线密度不高。衍射角会随刻线密度的增加而增大，基底材料的折射率限制了长波的透射率，从而导致性能降低。光栅的色散特性使其适用于使用小型探测器阵列的紧凑系统。在短波区，因dn/dλ大，谱线排列非常稀疏，而在长波区，则因dn/dλ小，谱线排列非常稠密。这种光栅对于偏振也不敏感。