[科普中国]-凹面光栅

凹面光栅（concave grating）又称罗兰光栅（Rolland grating）。它的作用是使光既衍射又聚焦。因而凹面光栅摄谱仪只需光栅、狭缝及感光板三部分。它可减少吸收现象，只存在光栅面一次反射的光损失，且无色差。可用于远紫外光谱及远红外光谱区域。

简介在高反射金属凹面上刻划一系列的平行线条构成反射光栅，具有分光和聚光能力。若将狭缝光源和凹面光栅放置在同一圆周上，且该圆的直径等于凹面光栅的曲率半径，可得到

很锐的细光谱线，该圆称为罗兰圆。常见的凹面光栅光谱仪有三种装置，即罗兰装置，帕邢装置和依格尔装置。

罗兰装置，光栅中心和感光板中心固定在可动的连杆两端，连杆的长度为光栅的曲率半径，其两端可沿互相垂直的导轨自由滑动，狭缝装有导轨的交点上。在连杆移动过程中，狭缝、光栅和感光板始终在一罗兰圆上。这种装置的缺点为：只能用移动连杆来读取不同波段的光谱。

帕邢装置的罗兰圆为一圆形钢轨，狭缝和光栅都固定在钢轨上，感光板环绕钢轨安装有一排底板架因而可同时拍摄几组光谱，其优点是稳定性高。

依格尔装置，其入射角等于衍射角，其中缝光源安装在底板架的正上方，要改变波段可将光栅和底板沿相反的方向转动同一角度，改变二者间的距离，使之始终位于罗兰圆上。该装置优点为体积紧凑，通常用于真空紫外光谱仪。

全息凹面光栅光谱仪成像理论全息凹面光栅是由两相干点源干涉形成的变密度弯曲槽分布，因此槽线走向及疏密变化与两记录光源位置有关，两记录光源位置为结构设计参量。又根据全息图再现原理，再现像的质量与再现点源的位置和波长密切相关，即全息凹面光栅光谱仪的安装参量也要严格选取。凹球面基底的半径为R，当记录点源位于XOY平面时，记录点源的位置参量确定；狭缝一般垂直XOY平面放置，那么狭缝中点和探测器的位置安装参量确定，这样在给定光栅基底曲率半径、光栅孔径、记录波长的条件下，整个全息凹面光栅光谱仪的结构和使用参量就确定了1。

凹面衍射光栅衍射光栅做为光谱仪器的核心分光器件在光谱分析、前沿交叉学科、社会民生等领域均具有广泛应用。凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能，可以达到简化光路的作用，极大地推动了光谱仪器的小型化和轻型化。随着凹面光栅制作工艺的发展，具有像差校正、低杂散光、无鬼线和高信噪比等优良性能的凹面光栅在光谱仪器应用领域重要性日益突出，因此高质量凹面光栅的制造及测量技术显得尤为关键。衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一，直接反映了光栅的能量传输特性，其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。凹面光栅的衍射效率可分为绝对衍射效率和相对衍射效率，绝对衍射效率是指在给定波长和衍射级次情况下，衍射光通量与入射光通量之比；相对衍射效率则指在给定波长和衍射级次下，探测器接收到的光栅衍射光通量与一块同尺寸相同膜层特性的标准凹面反射镜反射光通量之比。凹面光栅的绝对衍射效率多应用于光栅的设计领域，相对衍射效率则多用于光栅实际测量领域。

光栅绝对衍射效率的理论计算发展的较为完善，至今已提出了许多新的概念与方法，然而测量凹面光栅的相对衍射效率的通用设备却较少提及。目前，凹面光栅的衍射效率测试设备一般采用双单色仪结构，前置单色仪提供单色光，后置测量单色仪对光栅衍射效率进行测量。美国田纳西州光栅实验室研制了工作在紫外波段的凹面光栅衍射效率测试装置，通过来回移动探测器达到测量不同波长、不同聚焦位置、不同级次的衍射效率目的，然而该装置对待测凹面光栅的衍射效率进行测量时仅能给出分立波长的结果。曲艺利用光栅二级光谱影响反射样品光谱反射率的原理来获得真空紫外波段光栅二级光谱衍射效率，该方法存在测量波长范围较小且需要已知参数较多的问题。中红外光谱波段凹面光栅衍射效率测试装置，该装置可测量待测凹面光栅的绝对衍射效率，但是该仪器仅能对单一类型的凹面光栅衍射效率进行测量。此外，传统双单色仪结构的凹面光栅衍射效率测量方法中，待测光栅和标准反射镜出射光谱带宽不一致、光栅叠级、测量过程中光源不稳定性等问题影响光栅衍射效率的测量精度；前置单色仪需要定期进行定标、一次测量只能实现单一波长衍射效率的测量等因素又降低了其测量效率。针对以上问题，本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法，建立了该方法测量凹面光栅衍射效率的数学模型，并对测量中各影响因素进行了仿真分析。对比传统双单色仪结构，本文方法能够有效避免光源不稳定性、出射光谱带宽不一致、光栅叠级等问题对测量结果的影响，同时具有多波长同时测量、高光通量、高光谱分辨率、高波数精度、抗杂散光强的优势2。

影响凹面光栅分辨率检测的因素影响凹面光栅分辨率检测的因素要检测一块凹面光栅的分辨率，必须构建符合此光栅使用条件的检测系统，而检测系统的光源、狭缝和探测器以及其放置位置的精度不可避免地影响光栅检测结果。因此为了得到真正的凹面光栅分辩率必须对这些影响因素加以科学的分析，并在检测数据里，合理地加以去除。凹面光栅的分辨率是指以点或线单色光源入射时，在像面上按照瑞利准则可分辨的最小光谱范围。在实际检测中没有这种光源，总是带有一定的尺寸大小和光谱带宽，因此应考虑它们对分辨率的影响。检测系统的光源采用标准汞灯，检测波段为200~1000nm。汞灯出光用光纤耦合，用聚光透镜将光斑聚焦在狭缝中心上，以近似点光源发散球面波入射到凹面光栅表面。必须注意的是入射光经光栅衍射的特征谱线事实上有一定的带宽；狭缝上的聚焦光点也有一定的尺寸大小；经过狭缝的入射球面波必须充满整个光栅表面，才能正确检测出光栅的光谱分辨本领3。

1、光源带宽对分辨率检测的影响

2、狭缝宽度对光栅分辨率检测的影响

3、CCD探测器对光栅分辨率检测的影响

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所