定義：
包含周期性結構使光束發生衍射的光學元件。

衍射光柵是對光進行衍射的光學裝置。它包含了一個周期性結構，引起空間振幅或者相位變化。常見的是反射光柵，其中反射表面具有周期性結構，產生的相位變化與位置有關。還存在透射光柵，這時透射光柵的相位變化與位置有關，也是由于存在表面的周期結構。

圖1：高功率超連續光源出射的白光，通過衍射光射后在空間上分散開從而可以顯示其光譜含量。采用煙霧機可以看到光束路徑。

目錄

1. 衍射光柵細節描述

2. Littrow結構

3. 光譜分辨率和光束半徑

4. 輸出功率在各級衍射光束中的分布

5. 光柵的制備方法

6. 衍射光柵的應用

衍射光柵細節描述
有時需要考慮光柵引起的與位置有關的相位變化的空間頻率。對于簡單的正弦相位變化，只存在兩個空間頻率部分為±2π?/?d，其中d是光柵結構的周期。
入射角為θ的光在光柵平面的波矢分量為k?•?sin?θ，其中 k?=?2π?/?λ ， λ 是光波長。正常的反射會得到反射光的波矢分量為?k?•?sin?θ。
由于光柵的相位調制，反射光還包含另一個平面波矢分量為?k?•?sin?θ?±?2π?/?d的部分。它對應的是衍射級為±1。因此，可以得到出射光與法線之間的夾角滿足：

圖2：光柵各級衍射光束。

如果光柵的相位變化不是正弦形狀，這時存在多級衍射，出射角可以由下面這個更一般的公式來計算：

對于衍射級可以采用不同的符號規則，因此有些項的前面可能會有負號。
從上面方程可能會得到sin?θout 值大于1，這時對應的衍射級是不存在的。圖2給出了一個例子，只有衍射級-1~+3是存在的。

圖3：反射光束的輸出角度與波長的關系。入射光束具有固定的入射角為 25°。

圖3中的光柵周期為每毫米800條，曲線描述的是出射角隨波長的變化。對于零級衍射（純反射，m=0），角度是常數，而其它階的角度則隨著波長變化而發生變化。例如二階衍射m=2，只有當波長小于560 nm時才會發生。
圖4表明衍射級的數目與波長和衍射光柵周期比值的關系，以及與入射角的關系。波長越短，光柵周期越大，對應的衍射級的數目越大。

圖4：非零級衍射光柵的彩色編碼數與波長除以光柵周期的關系。

Littrow結構
在Littrow結構的反射光柵中，衍射光柵（通常為一級光束）沿著入射光束方向返回。因此滿足條件：
這種結構通常用于，例如作為激光器諧振腔的端反射鏡。一個給定的光柵方向可以確定激光介質的增益帶寬內的某一波長，在該波長處諧振腔光束路徑是閉合的，也就是說，可以實現激光產生。這項技術可用于波長調諧激光器中，例如，外腔二極管激光器。

光譜分辨率和光束半徑
在光柵光譜儀中，利用了從衍射光柵得到的光束方向與波長有關這一性質。這時波長分辨率不僅與角色散（單位為微弧度每納米）有關，還依賴于光束發散角：發散角越小，能越精確的得到角度變化。
因此，高的波長分辨率需要在光柵上的照明光斑很大。相對波長分辨率Δλ?/?λ處于的 1?/?(m?N)量級，其中m為衍射級數，N是照射的光柵刻槽數目。

輸出功率在各級衍射光束中的分布
弄清楚輸出功率在各級衍射光束中的分布是非常重要的。換句話說，需要確定某一級光束的衍射效率。這依賴于與波長有關的相位變化的形狀。通常情況下，可以采用不同的衍射理論來計算衍射效率。
可以優化衍射光柵使幾乎所有的光功率都分布在某一級衍射光束上，因此在該級的衍射效率很高。
這稱為閃耀光柵（小階梯光柵），這時相位變化可以采用鋸齒波函數表示。在給定的入射角度和波長條件下，需要調節光柵表面的斜率來優化光柵。在上面所述的Littrow結構中，結構的線性部分與入射光的波前是平行的。

光柵的制備方法
可以采用以下方法來制備光柵：

• 傳統的方法是采用刻線機，在金屬表面刻劃所需的表面凹凸結構（凹槽結構）。盡管刻劃光柵很難實現很小的間隔，它們可以作為具有很高堰塞湖效率堅固的金屬閃耀光柵。它們用于光柵光譜儀中時顯著的缺點就是會由于表面不規則而產生一些雜散光。

• 全息表面光柵是采用光刻技術制備的，可以實現更精細的光柵結構。簡單的全息光柵相位變化是正弦型的，因此衍射效率較低，但是由于它們表面非常規則因此基本不會產生雜散光。

• 它們可以由很多堅硬的材料制備而成，例如二氧化硅和半導體材料，并且先進的制備技術可以得到精確控制的結構，例如閃耀光柵。

• 體積全息光柵是在透明介質中具有周期性的折射率結構。它們具有很高的衍射效率并且產生很少的雜散光，但是對溫度和濕度變化非常敏感。將其在表面用合適的涂層包裹起來可以減小濕度的影響。

還可以在棱鏡上制備衍射光柵，棱鏡與光柵結合起來的結構稱為棱柵（grism）。可以選擇合適的參數，例如具有特定波長的光，使其無偏斜的透過棱柵。
另外還可以在介質反射鏡表面制備光柵結構，得到具有很高反射率的反射光柵。

衍射光柵的應用
衍射光柵具有很多種應用。下面給出一些主要的例子：

1. 用作光柵光譜儀，利用了衍射角度與波長有關的性質。圖5給出了典型的裝置圖。得到的光譜中包含多級衍射，尤其是記錄的波長范圍很大時。

圖5：Czerny-Turner單色儀的設計圖。

2. 一對衍射光柵也可用作色散元件，其中輸出的角變化與波長無關。圖6中的示意圖包含了四個光柵，所有的波長組分最后匯合一起。

3. 采用一對光柵，并且光由平面反射鏡反射回來也可以得到與上相同的結果。（注意，這時反射鏡可能需要略微傾斜，這樣反射光會相對垂直方向有偏移，可以與入射光分離開。）這一光柵裝置可用作色散脈沖延伸器或者壓縮器，在啁啾脈沖放大器中會用到。相比與棱鏡對，它們可以產生更大的色散。

圖6：四個光柵也就是兩個光柵對的裝置圖。光柵1根據波長分離入射光束（圖中表示了入射兩個波長不同的光束的路徑），經過光柵2后兩光束平行。光柵3和4將光束重新合在一起。總的路徑長度與波長有關，因此這一光柵裝置產生很大的色散。

3. 如上所述，衍射光柵（Littrow結構）可以用于激光器的波長調諧。

4. 在頻譜組束中，可以采用衍射光柵將不同發射器發射的波長略有不同的光合成為一個光束。