一文了解衍射光栅和衍射的用途
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发布时间：2025-07-01 16:47:26
衍射光栅是一种光学元件，它将多色光分离（色散）成其组成波长（颜色）。入射到光栅上的多色光发生色散，使得每个波长以略微不同的角度从光栅反射。色散源于光栅周期性结构对入射辐射的波前分割和干涉。
然后，色散后的光线被光谱仪重新成像，并将所需的波长范围引导至检测系统。光栅由等距平行的凹槽组成，这些凹槽形成在反射涂层上并沉积在基板上。凹槽的形状（闪耀角）会影响光栅的最佳波长范围。
光栅的色散和效率取决于相邻凹槽之间的距离和凹槽角度。光栅通常比棱镜更好——它们效率更高，能够提供波长的线性色散，并且不会像棱镜那样受到吸收效应的影响，而吸收效应会限制其可用的波长范围。
光栅方程
光栅的色散由光栅方程控制，通常写为：n⋅λ = d⋅(sinθi + sinθd)
其中：n 为衍射级数，λ 为衍射波长，d 为光栅常数（相邻刻线之间的距离），θi 为从法线测量的入射角，θd 为从法线测量的衍射角。上图显示了衍射波长的级数。除了正级数外，光还可以沿反方向衍射（例如 n = -1、-2 等）。也可能出现更高级数的衍射，但这些级数的强度会降低。通常，一级线（n=1 或 n=-1）的强度最高。
为切尔尼-特纳光谱仪选择光栅
根据特定应用选择光栅时，需要考虑的关键参数包括：
- 所需的光谱分辨率（以便有效识别化学特征或监测细微的光谱特征行为变化）、
- 目标波长范围、同步带通（单次探测器采集过程中投射到光谱仪焦平面的波长范围）、
- 入射信号偏振态
- 以及光谱仪的F/#。
这些因素会影响光栅线密度、闪耀角/波长、母版（给定线密度和闪耀角的不同母版会产生不同的效率和偏振特性）以及光栅尺寸的选择。
预期的光谱分辨率和同步带通率还会受到光耦合到光谱仪的方式、目标中心波长和相关的光栅“工作角”，以及输出平面的探测器像素阵列格式的影响。
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