刻划光栅和全息光栅的区别

 

由于刻划光栅和全息光栅的制造工艺之间的区别，每种类型的光栅相对于另一种都有优点和缺点，本文将对其进行简单描述。

光栅效率的差异

刻划光栅和全息光栅的效率曲线通常相差很大，尽管这是凹槽轮廓差异的直接结果，而不是严格地由于制造主光栅的方法。例如，使用Sheridon方法制造的全息光栅具有几乎三角形的凹槽轮廓，因此其效率曲线看起来更像刻划光栅而不是正弦凹槽全息光栅。

没有明确的经验法来描述刻划光栅和全息光栅之间效率曲线的差异;深入了解这些差异的最佳方法是查看每种光栅类型的代表性效率曲线。Loewen和Popov的《衍射光栅及其应用》一书收集了大量关于平面反射光栅、透射光栅、阶梯光栅和凹光栅效率行为的效率曲线和评论。

散射光的差异

由于全息光栅不需要将凹槽抛光成金属薄层，因此其凹槽上的表面不规则性与刻划光栅不同。此外，在同时形成所有凹槽的干涉光栅中不存在划线误差，划线误差是刻划光栅具有一个又一个凹槽的事实的表现。全息光栅，如果制作得当，可以完全没有小的周期性和随机凹槽放置误差。全息光栅可以为从光栅表面散射的光具有性能限制的光谱系统提供优势，例如在固体样品拉曼光谱的研究中，尽管适当的仪器设计对于确保光学系统的性能不受其他杂散光源的限制至关重要。

虽然全息光栅通常比早期的刻划光栅表现出更低的散射光，但现代控制系统和改进的母版涂层已经产生了刻划母版，其复制品表现出的散射光与全息母版的复制品一样低。一些商业上可买到的拉曼光谱仪现在使用刻划光栅，因为它们的散射光特性甚至适用于如此苛刻的应用。

凹槽轮廓的差异和限制

凹槽轮廓对从光栅衍射的光强度具有显著影响。虽然刻线光栅可能具有三角形或梯形凹槽轮廓，但全息光栅通常具有正弦(或近似正弦)凹槽轮廓(见图4-5)。刻划光栅和全息光栅，除了凹槽轮廓外，在各个方面都是相同的，对于给定的波长和光谱阶次，将具有明显不同的效率(衍射强度)。此外，刻划光栅比全息光栅更容易闪耀(通过选择抛光金刚石的适当形状)，全息光栅通常通过离子轰击(离子蚀刻)闪耀。衍射到光栅的使用阶数中的强度的差异意味着所有其他阶次中强度的差异;其他阶数的过量能量通常使得杂散光的抑制更加困难。

光栅表面上凹槽轮廓特性的分布也可能在刻划光栅和全息光栅之间有所不同。对于刻划凹面光栅，分面角度不一致，有效闪耀波长从光栅的一侧到另一侧都不同。另一方面，全息光栅通常在其表面上表现出更小的效率特性变化。光栅是通过在刻划过程中改变衬底上不同位置的刻面角度来刻划的。这些所谓的 "multipartite"光栅，其中划线被中断，金刚石在光栅宽度的不同位置重新定向，显示出增强的效率，但不能提供不间断划线所期望的分辨率(因为凹槽的每个部分可能与其他部分异相)。

图4-5 适用于刻划光栅和全息光栅的理想凹槽轮廓。(a) 三角形凹槽，代表典型刻划光栅的轮廓。(b) 正弦凹槽，代表典型全息光栅的轮廓。

可获得凹槽频率范围

刻划光栅和全息光栅每毫米的凹槽数量可以在非常宽的范围内变化。这两种类型的光栅都可以用非常粗糙的凹槽图案制成——刻划光栅低至30g/毫米，全息光栅低至1g/毫米。作为上限，全息光栅和刻划光栅都已被生产出凹槽密度高达每毫米10000个凹槽。

凹槽样式的差异

构成绝大多数刻划光栅的经典刻划平面光栅具有等间距的直槽。经典的刻划凹面光栅具有不等间隔的凹槽，这些凹槽在光栅表面上形成圆弧，但当投影到与光栅中心相切的平面上时，这种凹槽图案仍然是一组等间隔的直线。[它是控制成像的投影凹槽图案。]即使是规则可变线空间(VLS)光栅也不包含弯曲凹槽，除非在弯曲基板上。因此，刻划光栅可能的像差降低仅限于刻划槽可能的像差减少，尽管这种限制是由于当今的刻划设备可能发生的机械运动，而不是抛光过程本身。

另一方面，全息光栅不需要具有直槽。可以修改凹槽曲率以减少光谱中的像差，从而提高成像光谱仪的吞吐量和光谱分辨率。一种常见的光谱仪支架是平场光谱仪，其中光谱被成像到平面探测器阵列上，同时监测几个波长。全息光栅可以显著改善这种光栅系统的成像，而经典的刻划光栅不适合在没有辅助光学器件的情况下形成聚焦良好的平面光谱。

基板形状的差异

用于记录全息光栅的干涉图案不取决于衬底形状或尺寸，因此光栅可以更容易地在低数量的衬底上进行干涉记录，而不是在这些衬底上进行机械划线。因此，全息凹面光栅更自然地适用于短焦距的系统。不寻常曲率的全息光栅可以很容易地记录下来;当然，可能仍然存在与这种光栅的复制和测试相关的技术问题。

衬底形状影响光栅效率特性和成像性能。

光栅效率取决于凹槽轮廓以及光入射和衍射的角度;对于凹面光栅，凹槽轮廓和局部角度都随光栅表面位置的变化而变化。这导致效率曲线是光栅的小区域的各种效率曲线的总和，每个区域都有自己的凹槽轮廓以及入射角和衍射角。

光栅成像取决于光栅表面上衍射光线的方向，这反过来又受局部凹槽间距和曲率(即凹槽图案)以及局部入射角的控制。对于用于准直光的传统平面光栅，光栅表面上的凹槽图案和入射角都是相同的，因此所有衍射光线都是平行的。然而，对于凹面衬底上的光栅，凹槽图案通常与位置有关，局部入射角也是如此，因此衍射光线不平行——因此光栅具有聚焦(成像)特性和色散特性。

主基板尺寸的差异

虽然刻划主光栅通常可以大到320 x 420mm，但全息主光栅很少如此大，这是由于记录设备包含非常大的高质量透镜或反射镜的要求，以及由于远离主光栅基板中心的光焦度降低。

主光栅生成时间的差异

通过对每个凹槽进行单独抛光而形成刻划主光栅;要做到这一点，刻划金刚石可能会移动非常大的距离来刻划一个光栅。例如，尺寸为100 x 100毫米、每毫米有1000个凹槽的方形光栅需要金刚石移动10公里(超过6英里)，这可能需要几周的时间才能确定。

另一方面，在主全息光栅的制造中，凹槽是同时产生的。曝光时间从几分钟到几十分钟不等，这取决于所用激光的强度和光致抗蚀剂在该波长下的光谱响应(灵敏度)。即使计算准备和开发时间，全息主光栅的生产速度也比刻划主光栅快得多。当然，一个极其稳定和清洁的光学记录环境是记录精密全息光栅所必需的。对于平面光栅，需要高级准直光学器件，这可能是对较大光栅的限制。

审核编辑 黄宇