物理光学闪耀光栅

《物理光学闪耀光栅》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、物理光学小论文课题名称：闪耀光栅原理及分光本领改进方案B07040422徐能能B07040426蔡月樵B07040507许静B07040509张一辰摘要本文首先描述闪耀光栅的工作原理，即通过闪耀光栅如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离，从而使大部分能量集中到所需要一级光谱上去，使其变强、闪耀。其次，在闪耀光栅的原理的基础上介绍里特罗自准直闪耀光谱仪的组成与结构。同时，还介绍光栅光谱仪最重要的两个参数：角色散率和分辨率。再次，设计出一个提高光栅光谱仪分光本领的方案。介绍一种透射型闪耀光栅的改进模型，并且还利用傅里叶光学原理用到

2、了这种改进模型的衍射特性的分析中。通过对各级刻槽高度的控制，当平面波垂直入射到这种闪耀光栅时，可使能量集中到第一衍射光束上去，对其进行闪耀。通过的计算可知，实现第一级闪耀的闪耀效率达到99.18%。最后，论述闪耀光栅在光通信和光传感中的应用。介绍了目前国内外闪耀光栅在单色仪、精密测量、激光整形、显示技术、光通信等方面的应用情况。目录1、闪耀光栅的工作原理11.1闪耀光栅的结构11.2闪耀光栅的闪耀原理22、里特罗自准直光栅光谱仪43、提高光栅光谱仪分光本领的方案63.1基本结构介绍63.2各级衍射强度的数学推导73.3仿真计算94

3、、闪耀光栅应用114.1光栅单色仪114.2精密测量114.3激光整形124.4显示技术134.5光通信器件135、参考文献151、闪耀光栅的工作原理闪耀光栅又叫炫耀光栅、定向光栅。它是一种相位型光栅，它弥补了平面光栅的不足。1.1闪耀光栅的结构由光栅的分光原理可见，光栅衍射的零级主极大，因为色散作用，不能用于分光，光栅分光必须利用高级主极大。但是，由多缝衍射的强度分布可知，多缝衍射的零级主极大占有很大的一部分光能量，因此可用于分光的高级主极大的光能量较少，大部分能量将被浪费。所以，在实际应用中必须改变通常光栅的衍射光强度分布，使

4、光强度集中到有用的那一光谱级上去。瑞利在1888年首先指出，理论上有可能把能量从（对分光）无用的零级主极大转移到高级谱上，伍德（Wood）则在1910年首先成功地刻制出了形状可以控制的沟槽，制成了所谓的闪耀光栅。首先应指出，平面衍射光栅之所以以零级主极大占有很大的一部分能量，是由于干涉零级主极大与单缝衍射主极大重合，而这种重合起因于干涉和衍射的光程差均由同一衍射角决定。图1-1投射光栅的衍射如图1-1（a）所示，光沿任一角度φ入射时，衍射单缝的缝两边缘点间的光程差为∆衍=a(sinθ-sinφ)（1-1）而多缝干涉的相邻缝间的光程

5、差为∆干=d(sinθ-sinφ)（1-2）式中，a表示光栅的缝宽，d表示光栅缝间距。显然，θ=φ时，两个极大（单缝衍射主极大与干涉零级主极大）的方向一致。因此，要想将这两个极大方向分开，必须使衍射和干涉的光程差分别由不同的因素决定。如果采用图1-2（a）所示的、在平面玻璃上刻制锯齿形细槽构成的透射式16闪耀光栅和图1-2（b）所示的、在金属平板表面刻制锯齿槽构成的反射式闪耀光栅，就可以通过折射面和反射的方法，将干涉零级和衍射中央主极大位置分开。在这种结构中，光栅和锯齿槽面方向不同，光栅干涉主极大方向是以光栅面法线方向为其零级方向

6、，而衍射的中央主极大方向则是由刻槽面法线方向等其它因素决定。图1-2闪耀光栅的结构1.2闪耀光栅的闪耀原理下面，我们以图1-3所示的反射式闪耀光栅为例，说明如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离。图1-3反射式闪耀光栅的角度关系假设锯齿形槽面与光栅平面的夹角为θ0（该角称为闪耀角），锯齿形槽宽度（也即刻槽周期）为d，则对于按φ角入射的平行光束A16来说，其单槽衍射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向B。因干涉主极大方向由光栅方程dsinθ+sinφ=mλ（1-3）决定，若希望B方向是第m级干涉主极大方向，则变换上面的光栅方程式，

7、B方向的衍射角应满足2dsinφ+θ2cosφ-θ2=mλ（1-4）考察图1-3所示的角度关系，有α=θ0-φ和β=θ-θ0（1-5）又因为B方向是单槽衍射中央主极大方向，所以必须有α=β，即θ0-φ=θ-θ0（1-6）或φ+θ=2θ0和θ-φ=2α（1-7）因而有2dsinθ0cosα=mλ（1-8）这就是单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大所应该满足的关系式。故，若m,λ,d和入射角φ已知，即可确定相应的角度θ0。此时的B方向光很强，就如同物体光滑表面反射的耀眼的光一样，所以称该光栅为闪耀光栅。若光沿着槽面法线方向入射

8、，则α=β=0，因而φ=θ=θ0。在这种情况下，（1-8）式简化为2dsinθ0=mλM（1-9）该式称为主闪耀光栅条件，波长λM称为该闪耀光栅的闪耀波长，m是相应的闪耀级次，这时的闪耀光栅方向即为光栅的闪耀角θ0的方向。因此，对于一定结构（θ0）