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光栅衍射测光的波长调整和应用探讨 作者：冯兵 安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011 指导教师：朱德权 摘要：衍射光栅作为一种重要的分光元件, 经过几百年的发展,已经形成了很多种类,除了广泛应用于摄谱仪进行光谱分析之外, 新型的光栅已大量用于激光器、 集成光路、 光通信、 光学互连、 光计算、 光学信息处理和光学精密测量控制等各个方面。 综述了光栅的研究历史和现状, 介绍了光栅的主要性质和应用,并根据光栅的特点对光栅进行了分类.本文提出了使用光栅衍射测量光波波长和方向的方法，主要由光栅，分光计组成.实验结果表明：测得的波长偏差较小，入射方向的误差较小. 关键词：光波波长， 光栅衍射， 分光计， 入射角 光栅应用 引言：光栅作为一种优良的分光元件, 在近代光谱仪中有广泛的应用, 比如利用光栅衍射进行光谱分析,测量光波波长等.在大学物理实验中, 研究光栅测量光波波长, 都是基于入射光垂直于光栅平面入射的情况下进行的测量.如何在任意未知入射角情况下, 利用光栅测量光波波长.本文就这一情况进行分析和研究. 一.光栅简介 1 光栅发展历史 最早的衍射光栅是绕线光栅, 1786年美国科学家 Ritenhouse在费城用平行的 50至 60根细金属丝制成的宽 12 . 7 mm的衍射光栅. 1821年,夫琅和费为了观测太阳光谱, 用铁丝制成了衍射光栅, 两年后,他又在平面玻璃上敷以金箔,再在金箔上刻槽做成了具有较大色散的反射衍射光栅. 1870年, 卢瑟福在 50 mm宽的反射镜上用金刚石刻刀刻划了3500条槽, 这是世界上第一块分辩率与棱镜相当的光栅, 具有重大的意义[ 3 ] 19世纪 80年代, Ro w land发明衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置, 光栅分光仪器就成为光谱分析领域的主角. 后来, Anderson和 Wood研究了光栅槽形对光强分布的影响, 提出了光栅的闪耀理论, 闪耀使光栅的衍射效率得到大大的提高, 大部分光能量可集中在预定的衍射级次上。1948年, Gabor提出了全息光学原理,激光器发明以后,出现了专门用于记录激光器干涉条纹的技术,导致全息光栅的出现,它主要用作色散元件,对激光输出光谱进行选择和调谐.随着硅微加工技术的迅速发展,而光栅在微观上的周期性,硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性,使人们开始尝试在硅基材料上制作光栅. 1975年 W. Tang和 S . W ang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅,从此硅光栅被应用在许多不同的领域.随着微细加工工艺的发展和二元光学应用领域的拓展,周期性二元光学元件光栅的特征尺寸不断缩小,其结构也变得越来越复杂,从单周期光栅到双周期交叉光栅,从介质光栅到金属光栅,从单层光栅到多层光栅,光学元件越来越小型化、 高效化、 阵列化. 2 光栅分类 光栅经过几百年的发展, 己形成了很多种类,分类准则也有很多.我们将根据光栅的特点对光栅进行分类,并对光栅的应用进行简单的介绍.有些光栅可能属于几个种类,我们只在一个种类中介绍. ( 1)按材料分, 有硅光栅、 金属光栅、 聚合物光栅、 光折变光栅、 光致热折变玻璃光栅等;硅在近红外波段范围内具有非常好的光学特性(高折射率和低损耗) ,是制作近红外光栅的极好的材料, 又由于使用微机械加工技术,可以直接在硅材料表面制作光栅.在硅基材料上制作的光栅还可以用作集成光学的波导和光纤的耦合器. 阵列波导光栅也称作相位阵列, 它由一定数量的输入 /输出信道波导、 阵列波导和两块平板波导组成,集成在同一块硅基底上(有的是在石英片上) .信道波导和阵列波导通过平板波导相连,阵列波导中相邻阵列波导的长度差保持为常数,可以起到光栅的作用,可以完成不同波长光的复用和解复用功能. AWG具有价格便宜、 适合批量生产、 工艺简单、 材料折射率调整容易、 损耗低、 热稳定性高、 透明性好以及偏振不灵敏(即无需色散补偿)等优点.关于 AWG的研究,近年来取得了很大的进展. 在金属光栅上制作的亚波长狭缝光栅具有异常的透射光增强效应. 由于这种增强效应突破了经典孔径理论的极限,在光子学、 光电子学等领域具有巨大的应用潜力.目前用于全息记录的材料种类繁多, 有:卤化银乳胶、 重铬酸明胶、 光致抗蚀剂、 光导热塑、 光致变色材料、 光致聚合物、 光折变晶体、 小杆细菌视紫红质等. 由于银盐干板光栅衍射效率低, 重铬酸盐明胶光栅不容易保存,因此都不适合做全息光栅。光致抗蚀剂能形成浮雕型相位全息图,光导热塑可擦除后重复使用. 细菌视紫红质是一种具有光驱动质子泵功能的跨膜蛋白, 具有较强的光敏感性在光致色变、 瞬态光电响应和非线性光学等性能上都具有良好的应用前景.光折变晶体是指在光辐射作用下通过光生载流子的空间分布使折