[激光原理与应用-152]：光学器件 - 光栅，一种由周期性排列的等宽等间距结构组成的光学元件，通过衍射和干涉实现光的分光、调制或测量功能的光学元件

光栅是一种由大量等宽等间距的平行狭缝（或刻痕）构成的光学元件，其核心原理是利用光的衍射和干涉现象，将复色光分解为单色光或对光进行方向调制。以下从分类、原理、应用及制造方法四个方面展开分析：

一、光栅的分类

1. 按工作原理分类
   • 透射光栅：在透明基底（如玻璃）上刻制平行刻痕，光通过刻痕间的透光部分发生衍射。
   • 反射光栅：在金属或反射镜表面刻制刻痕，利用反射光衍射，常见于光谱仪。
   • 光纤光栅：在光纤纤芯中形成周期性折射率调制，用于光纤通信和传感。
2. 按结构分类
   • 一维光栅：狭缝沿单一方向排列，用于测量单一方向参数（如物体高度）。
   • 二维光栅：狭缝在平面内交叉排列，用于平面检测（如物体轮廓）。
   • 三维光栅：通过多视角或结构光实现立体测量（如体积、表面形貌）。
3. 按功能分类
   • 分光光栅：将复色光分解为光谱，用于光谱仪、摄谱仪。
   • 位移测量光栅：通过光栅条纹移动计算位移，如光栅尺。
   • 安全光栅：用于工业安全防护，检测人体或物体进入危险区域。
4. 按制作工艺分类
   • 机械刻划光栅：通过高精度机械装置刻制，成本低但精度有限。
   • 全息光栅：利用全息照相技术形成周期性结构，分辨率高。
   • 电子束光刻光栅：聚焦电子束直接绘制条纹，精度达纳米级。

二、光栅的工作原理

1. 衍射与干涉
   当单色平行光照射光栅时，每个狭缝产生衍射光，相邻狭缝的衍射光相互干涉，形成明暗相间的条纹。明条纹（主极大）位置由光栅方程决定：

dsinθ=mλ(m=0,±1,±2,…)

其中，d为光栅常数（狭缝间距），θ为衍射角，λ为波长，m为衍射级次。

1. 光谱形成
   复色光通过光栅时，不同波长的光在不同角度形成光谱，实现色（色：频率）散。例如，钠光（589nm）和氢光（656nm）会被分离到不同位置。

2. 光束调制
   光栅可通过改变狭缝参数（如宽度、间距）调制光束形状，用于激光整形、光学通信等领域。

三、光栅的应用场景

1. 光谱分析
   • 光谱仪：光栅是核心分光元件，用于物质成分分析（如化学元素检测）、天文观测（如恒星光谱分析）。
   • 摄谱仪：记录物质发射或吸收的光谱，用于材料研究、环境监测。
2. 工业测量
   • 位移测量：光栅尺通过计数光栅条纹移动量，实现微米级位移检测，广泛应用于数控机床、半导体制造。
   • 表面形貌测量：结合干涉技术，测量物体表面粗糙度、平面度。
3. 安全防护
   • 工业安全光栅：在冲压机、机器人工作站等场景中，检测人体或物体进入危险区域，触发急停。
   • 交通管理：车辆分离光栅用于智能交通系统，实现车辆计数、车道分隔、信号控制。
4. 光学通信与传感
   • 光纤光栅：用于光纤放大器、激光器、滤波器等部件，实现光信号调制和传感（如温度、应力测量）。
   • 光学计算：光栅阵列用于光子芯片，实现高速并行计算。
5. 娱乐与显示
   • 3D显示：光栅薄膜结合透镜阵列，实现裸眼3D效果。
   • 动画制作：通过光栅角度变化，呈现连续动画或变画效果。

四、光栅的制造方法

1. 机械刻划法
   • 原理：用金刚石刀头在金属或玻璃基底上刻制等间距刻痕。
   • 特点：成本低、适合大规模生产，但精度受机械振动限制。
2. 光刻法
   • 原理：利用光刻胶和掩模板，通过曝光、显影在基底上形成条纹图案。
   • 特点：精度高（可达亚微米级），但工艺复杂、成本较高。
3. 电子束光刻法
   • 原理：聚焦电子束直接在光刻胶上绘制条纹，然后通过刻蚀形成光栅。
   • 特点：精度达纳米级，适用于高端科研和微纳光学器件制造。
4. 激光干涉光刻法
   • 原理：利用两束相干激光在基底上形成干涉条纹，通过曝光和显影形成光栅。
   • 特点：可制造大面积、高精度光栅，但设备成本高。