什么是衍射光栅？衍射光栅的应用及原理

什么是衍射光栅？衍射光栅的应用及原理

什么是衍射光栅？

衍射光栅是一种光学元件，它在玻璃基板上等间隔地刻出微细的沟槽。当光照射到衍射光栅上时，由于这些凹槽的作用，会发生光的衍射现象，从而使入射光根据波长进行分离。衍射光栅有多种类型，包括透明型、反射型和闪耀型等，每种类型的结构略有不同，因此具有不同的光谱性能。

衍射光栅可以提取特定波长的光，因此它们被广泛应用于光谱仪，例如发射单一波长的光的单色仪和发射固定波长宽度的光的多色仪。

衍射光栅的应用

衍射光栅的表面有细小的凹槽，具有将入射光分离为不同波长的特性。这一特性使其在控制光波长的设备中得到广泛应用。

例如，衍射光栅用于光谱仪，包括发射单一波长的单色仪和发射固定宽度波长的多色仪。它们还用于天文观测的分光光度计、自然科学领域的各种光谱分析仪以及医药和化学品的制造和质量控制设备。

衍射光栅原理

衍射光栅是通过在玻璃基板上沉积铝等金属并刻出大量平行线而制成的。对于紫外到可见光，通常需要刻制15,000至30,000条线；对于红外光，则需要1,500至2,500条线。这些凹槽会散射入射光，产生干涉条纹。结果，可以根据入射光的波长来分离入射光。

与棱镜相比，衍射光栅具有更高的光学分辨率，并且在所有波长上表现出相同的色散。棱镜利用每个波长具有不同折射率的事实来分散光线，而衍射光栅则利用入射光的衍射方向根据波长而不同的特性来分光。

衍射光栅的基本原理是利用光的衍射现象。当光入射到微小缝隙S0时，会以S0为波源向各个方向衍射。衍射光栅具有许多结构，例如与等间隔排列（呈格子状）的狭缝相对应的凹槽（S1、S2、...或G1、G2、...）。如果相邻凹槽之间的光程差为半波长的偶数倍（波长的整数倍），则发射角或反射角的角度方向上的干涉光将相互增强。这一原理使得衍射光栅能够将光分成不同波长并提取它们。

图1 衍射光栅原理

衍射光栅分为原始衍射光栅和复制品衍射光栅。原始衍射光栅的制造困难且昂贵，因为它们必须以特定的精度制造。而光栅复制品可以利用原始光栅进行大量制造，从而使其更便宜且应用更广泛。

衍射光栅的类型

衍射光栅主要有两种类型：透射光栅和反射光栅。

透射光栅用于透射光，但并不经常使用，因为它们需要在很宽的波长范围内具有透明度。通常，透射光栅在教育环境中用作自然光谱的简单演示。

反射光栅是另一种常见的衍射光栅，它刻在金属表面，主要用于要求高精度的分光光度计。

使用注意事项

在处理衍射光栅时，必须小心避免污染。例如，如果徒手操作，皮脂等成分可能会粘附在衍射光栅上，从而降低其性能。此外，在容易结露的环境中，水可能会粘附在衍射光栅上并降低其光学性能。另外，在处理激光等强光时，需要提前检查衍射行为，了解光传播的方向，并注意不要照射到人。