反射光栅与透射光栅

光路布局、效率与适用波段 · 含两种光栅对比演示

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两种光栅,两种光路

反射光栅与透射光栅衍射方式对比示意图
左:反射光栅,入射光与衍射光在同一侧;右:透射光栅,光穿过刻线透明基底后衍射,光路更紧凑(示意图)

两种光栅遵循同一个光栅方程,区别在于光"从哪一侧出去":反射光栅的衍射光回到入射的一侧,透射光栅的衍射光穿过基底从另一侧射出。这一点决定了光谱仪的整体布局、可用波段和效率特性。

反射光栅

刻线制作在不透明基底(通常是镀铝玻璃或金属)上,光从刻面反射并衍射,绝大多数光谱仪使用的都是反射光栅。

  • 通过闪耀角设计可以把能量集中到特定波长,闪耀效率可达 70%~90%。
  • 不受基底材料吸收的限制,配合合适的镀膜可以从真空紫外工作到远红外。
  • 常用于 Czerny-Turner、Littrow、Ebert-Fastie 等经典光路构型。
  • 入射与衍射在同侧,光路必须折叠,元件之间的遮挡和像差需要仔细设计。

透射光栅

刻线(或折射率调制)制作在透明基底上,光穿过光栅后发生衍射。现代光谱仪中最常见的是体相位全息(VPH)光栅:在明胶层内部记录正弦折射率调制,再用玻璃封装。

如有定制需求,请联系:姚工,1592-808-9752,mylanview@126.com

  • 入射光和衍射光分处基底两侧,光路可以"直通",适合小型化与同轴设计。
  • VPH 光栅在布拉格条件下峰值效率可超过 90%,偏振相关性较小,杂散光低。
  • 效率曲线比闪耀反射光栅窄,带宽由折射率调制和膜层厚度决定。
  • 受基底与封装材料透过率限制,主要用于可见到近红外波段。

下面的演示把两种光栅放在同一组参数下对比:几何布局有什么不同、效率曲线有多宽,以及 VPH 的折射率调制和厚度如何影响带宽。

交互演示:同一参数下的反射光栅与透射光栅

两种光栅都按设计波长处的 Littrow(布拉格)条件入射。调节刻线密度和设计波长观察光路,调节 VPH 的折射率调制 Δn 与膜厚 t,看效率曲线怎样变窄、变宽或出现"过调制"。
模型说明:反射光栅效率按标量闪耀近似;VPH 按 Kogelnik 耦合波理论(无倾斜透射体光栅、非偏振平均近似),基底折射率取 1.5。图中三条衍射光分别为设计波长的 0.8、1.0、1.2 倍。

怎么选

需要覆盖宽波段、工作在紫外或红外、或要求高分辨率的场合,选反射光栅;需要紧凑同轴结构、只关心一段可见到近红外波段、并且追求高通量和低杂散光的场合(例如拉曼、天文和高光谱成像),VPH 透射光栅往往更合适。

两者都可以做成平面或特殊面形,具体还要结合光谱仪的焦距、探测器尺寸和体积限制综合考虑。

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光谱仪与光栅选型

四川森普力科技有限公司可根据应用推荐光栅类型、刻线密度与闪耀波长,提供标准光谱仪与定制分光系统。

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  • 拉曼、荧光、高光谱等应用的高通量分光方案
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