01、衍射光柵定義

衍射光柵是一種分光光學元件，它能把不同顏色(波長)的光在空間上按照一定規(guī)律散開來。例如通過光柵的太陽光能呈現(xiàn)出紅橙黃綠青藍紫的彩虹色。

通常光柵是由玻璃或其它光學材料表面上制作的具有周期性的刻線或凹槽構(gòu)成。這種具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的光柵用得最多。另一種是在光學材料內(nèi)部形成的光學折射率周期性變化的光柵，叫體光柵。光柵的刻線密度一般每毫米幾十至幾千條，甚至上萬條。光柵的刻線多數(shù)是平直且平行的，周期是不變的，但有時為了消除或補償光學系統(tǒng)的像差，也把光柵的刻線做成彎的、周期按一定規(guī)律變化的，這種光柵叫消像差光柵或平焦場光柵。

光柵一般分為反射光柵和透射光柵兩類。反射光柵表面要鍍制反射膜，以增加光柵的絕對衍射效率;透射光柵要求其基板材料在工作波段內(nèi)要有高的透過率和均勻的折射率。光柵的周期、衍射效率和槽形結(jié)構(gòu)等參數(shù)要根據(jù)其所應(yīng)用的工作波段和光學系統(tǒng)來進行設(shè)計。

02、光柵方程

光柵方程能表征光柵的衍射特性，可以由幾何光學及電磁理論推導(dǎo)出來，是有關(guān)衍射光柵性質(zhì)計算的基礎(chǔ)，具有十分重要的價值。其一般形式如下：

d(sinθi+sinθm)=mλ (1-1)

式中d是光柵周期(或光柵常數(shù))，λ是波長，m(=0,±1,±2,±3……)是主極大的級次，θi和θm分別是入射角和衍射角。

入射角是指入射光線與光柵法線間的夾角，衍射角是衍射光線與光柵法線間的夾角。角度符號的選擇原則(或習慣)是：當入射光和衍射光位于光柵法線同側(cè)時取+號，反之取-號。

圖 光柵衍射示意圖 - (a)反射光柵的衍射，圖(b)透射光柵的衍射

03、光柵的衍射原理

當光通過小孔或狹縫時，光會發(fā)生衍射，而且縫越窄，衍射現(xiàn)象越明顯。平行光照射單縫后，經(jīng)透鏡聚焦在屏幕上形成單縫衍射條紋。

圖 單縫衍射示意圖

對于具有N個狹縫的光柵，在平行光照射下，每個狹縫都要產(chǎn)生各自的衍射條紋。盡管各狹縫的位置不同，但由于屏幕放在透鏡的焦平面處，這N組衍射條紋將通過透鏡完全重合，如同單個狹縫所形成的衍射條紋一樣。

由于各狹縫都處在同一波陣面上，相鄰兩縫所有的對應(yīng)點發(fā)射的子波到達會聚點的光程差都是相等的，所以通過所有狹縫的光都是相干光，在屏幕上快聚點處還將出現(xiàn)相干疊加，形成干涉條紋，這就是多縫干涉。

光柵衍射的原理正是基于單縫衍射和多縫干涉疊加的效果。N個單縫衍射光在屏幕上重疊時，縫與縫之間的衍射光將會產(chǎn)生干涉，其干涉條紋的明暗分布取決于兩個相鄰縫到會聚點光程差。

圖 光柵衍射原理示意圖