闪耀光栅的应用

闪耀光栅的应用

一． 闪耀光栅的基本原理：

锯齿形槽面与光栅平面的夹角为θ0

（闪耀角），锯齿形槽宽d （即刻槽周期）。对于入射角为?的平行光束A 来说，单槽衍射的中

央主极大方向为槽面的反射方向B 。其干涉主极大方向由光栅

方程给出：

根据几何关系，有： α、β是槽面的入射角与反射角，α=β 。若B 方向就是第m 级

干涉主极大方向。则：

因而有： 这就是单槽衍射中央主极大方向同时又是第m 级干涉主极大

方向所应满足的关系式。

若m 、λ、d 和入射角?已知，即可确定角度θ0. 若入射光沿槽面法线方向入射，则光栅方程简化为：

此为主闪耀条件，波长λM 称为该光栅的闪耀波长，m 是相应的

闪耀级次，此时的闪耀方向即为光栅的闪耀角θ0的方向。

(sin sin ) 2sin cos 22

d m d m θ?θ?θ?λλ+-+==即：00

αθ?βθθ=-=-000 2 -=2θ?θθ?θθθ?α-=-+= 或：和02sin cos d m θαλ=02sin M

d m θλ=

二．闪耀光栅的应用：

１.光栅单色仪

精密光栅单色仪是扫描式发射光谱仪器的关键光学部件,同时也是一种光电一体化的分光仪器. 光栅单色仪利用闪耀光栅作为分光元件,将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光. 其突出的优点是波段的范围宽广,在全波段色散均匀,单色光的波长可以达到非常准确的程度.光栅单色仪的用途主要有两方面:一是从复色光源中提取单色光,二是测量复色光源的光谱. 单色仪的研究目的包括物质的辐射特性,光与物质的相互作用,物质的结构(原子、分子能级结构) ,遥远星体的温度、质量、运动速度和方向.

它的应用范围非常广,可以用于采矿、冶金、石油、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理(卫星观测)等等.

单色仪由光源和照明系统、分光系统和接收系统三部分组成,如图由光源发出的复合光通过入射狭缝S1 照射到准直镜M1后,变成平行光束,再投射到光栅G上. 由光栅G色散后,经聚焦镜M2 成像在出射狭缝S2处. 当精密机械传动系统按一定方向转动光栅时,就可以在S2 处得到不同波长的单色光束. 光被光电倍增管接收,得到光强度信号。

2.精密测量

光栅作为精密测量的一种工具,由于它本身具有的优点,已在精密仪器、坐标测量、精确定位等多个领域得到了广泛的应用. 闪耀光栅可用于位移测量、转角测量、光学三维测量、温度测量等.下面介绍位移测量和转角测量.光栅位移测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为测量对象,对此信号进行一系列的处理,即可获得光栅相对移动的位移量.将光栅位移传感器和电子自动化技术相结合,进行线形位移量的测量,实现较高的测量精度.转角测量原理如图所示. 在楔形玻璃平板上刻划线性反射式闪耀光栅,适当设计光栅常数可使某级衍射光沿原路返回. 这样,当光栅楔形平板绕中心轴旋转时,该级衍射光线的方向始终保持不变,而其他级次的衍射光线呈圆锥形旋转. 控制光栅的闪耀角,使第m 衍射级发生在最大光强方向上,这样就可以充分利用m 级衍射光的能量,并提高灵敏度,其他级次的衍射光线在测量中可以不予考虑. 测量时,通过转动楔形平板改变光束的光程,干涉测量中光程的变化。

３.激光整形

半导体激光器列阵的光束整形是通过光束重排来实现的,即把准直后的激光束在慢轴方向分割成若干段,再让这些子光束在快轴方向重新排列形成对称的光场分布. 这样,慢轴方向由于光束尺寸减小了,所以光参数积也减小了. 对典型的线阵激光器,准直后的激光束为一条细线,若把光束在慢轴方向分割成N 段,则整形后慢轴方向的光参数积将减小为1 /N,快轴方向的光参数积相应增大N 倍,从而使得两个方向上的光束质量较为均衡.利用不同闪耀角的二维闪耀光栅,对除中心光束外的光束进行偏转,即使得这些光束在慢轴方向向着系统的光轴方向偏转,在快轴方向向远离系统光轴的方向偏转. 通过控制各光束的偏转角度,我们可以使得各光束经过一段距离的传输后在慢轴方向重叠,在快轴方向分开,重新排列形成近似方形的光场分布,降低了激光器的相位及强度噪声,改善了半导体激光器激光输出的质量. ４.显示技术

闪耀光栅在光栅笔划叠加显示信号测试中的汉字显示、基于光栅扫描的雷达显示、闪耀光栅数字微镜显示等方面也正在成为人们研究的热点,尤其是在数字显示方面具有非常好的应用前景.

闪耀光栅不仅具有很高的分色能力,而且还具有将零级次衍射光的绝大部分能量转移到所需级次上的能力,衍射效率可达到100%. 设计适当的闪耀角,能使复合白色光产生的RGB 三基色光处于最高衍射效率范围内. 用闪耀光栅作为显示画面的光调制器,能最大限度地提高光源的利用率.根据闪耀光栅的分色原理,用复合白色光源以固定的

入射角照射可转动的闪耀光栅微镜,可在一个固定的方向上得到由白色光源直接产生的RGB三基色. 控制闪耀光栅微镜转动到产生红R、绿G、蓝B三基色以及暗态的4个固定位置, 3个闪耀光栅微镜就可以构成一个真彩色的像素单元;用脉宽调制方式确定闪耀光栅微镜在每个位置上的停留时间,可使各个子像素所对应的三基色具有不同的亮度. 3 个子像素不同亮度、不同基色的组合,就可以产生一个像素所需的各种彩色;多个像素组成阵列,即可构成显示画面.

三．结语

闪耀光栅是一种应用非常广泛的衍射元件,其制备方法和选择材料都在不断得到改进. 随着硅微细加工技术的不断发展,制作硅光栅的技术也会相应得到提高,纳米级的压印技术已经出现。硅光栅的制作工艺与微电子、微机械制作工艺的兼容性,使得闪耀光栅的制造也变得不再困难。

物理光学论文报告

专业：电子科学与技术（光电子）

姓名：马春阳

学号：

2012.12.19