衍射光栅的历史及重要作用

本文简单介绍了衍射光栅的历史及其重要作用。

很难指出还有哪一种装置比衍射光栅为每个科学领域带来了更重要的实验信息。物理学家、天文学家、化学家、生物学家、冶金学家都将其作为一种具有无与伦比的准确性和精确性的常规工具，作为原子种类的探测器，用于确定天体的特征和行星中大气的存在，研究分子和原子的结构，并获得一千零一项信息，没有这些信息，现代科学将受到极大的阻碍。

by：J. Strong， “The Johns Hopkins University and diffraction gratings，” J. Opt. Soc. Am. 50， 1148-1152 （1960）， quoting G. R. Harrison.

1 前言

多年来，光谱学在物理学研究中一直很重要，现在它在天文、生物、化学、冶金和其他分析研究中也同样重要。量子力学的第一次实验测试涉及用光栅光谱仪验证对氢光谱的预测。在天体物理学中，衍射光栅为恒星和行星大气的组成和过程提供了线索，也为宇宙中物体的大规模运动提供了线索。在化学、毒理学和法医学中，基于光栅的仪器用于确定样品中化学物质的存在和浓度。在电信领域，光栅正被用于使用波分复用（WDM）来增加光纤网络的容量。光栅在调谐和光谱整形激光以及啁啾脉冲放大应用中也有许多用途。

衍射光栅在光谱学中具有相当重要的意义，因为它能够将多色光分离（分散）成其组成的单色成分。近年来，衍射光栅的光谱质量得到了极大的提高，理查德森光栅一直是这一发展的领导者。

现代衍射光栅所需的极高精度要求将金刚石工具、刻划机和光学记录硬件的机械尺寸及其环境条件控制在物理上可能的极限。精度较低会导致光栅具有观赏性，但几乎没有技术或科学价值。制造精密衍射光栅的挑战引起了世界上一些最有能力的科学家和技术人员的注意。只有少数人取得了可观的成功，但每一项都受到现有技术的限制。

2 衍射光栅TheDiffractionGrating

TheDiffractionGrating衍射光栅是反射（或透射）元件的集合，它们之间的距离与所研究的光的波长相当。它可以被认为是衍射元件的集合，例如不透明屏幕中的透明狭缝（或孔）图案，或基板上的反射槽的集合。在任何一种情况下，衍射光栅的基本物理特性都是折射率的空间调制。衍射时，由于光栅表面附近区域折射率的变化（通常但不总是周期性的），入射到光栅上的电磁波的电场振幅或相位或两者都会以可预测的方式发生变化。从光栅或通过光栅的衍射会产生一组或多组离散的衍射波，这些衍射波是通过相长干涉产生的。

reflection grating反射光栅由叠加在反射表面上的光栅组成，而transmission grating透射光栅则由叠加在透明表面上的光栅组成。

master grating主光栅（也称为original grating原始光栅）是一种光栅，其表面浮雕图案是通过机械刻划或全息记录“从头开始”创建的。replicagrating复制光栅是指其表面浮雕图案是通过铸造或模制另一光栅的浮雕图案而产生的光栅。

3 光栅发展简史

1785年，美国天文学家DavidRittenhouse大卫·里滕豪斯制造了第一个衍射光栅，他报告称建造了一个半英寸宽、53个孔径的光栅。他没有进一步开发这个原型，也没有证据表明他试图将其用于严肃的科学实验。

1821年，约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Josephvon Fraunhofer）很可能没有意识到里滕豪斯的工作，他开始研究衍射光栅，他看到了光栅色散对新光谱学的价值。弗劳恩霍夫的坚持使光栅具有足够的质量，使他能够测量太阳光谱的吸收线，现在通常称为弗劳恩霍费尔线。他还推导出了控制光栅色散行为的方程。弗劳恩霍夫只对为自己的实验制作光栅感兴趣，他死后，他的设备就消失了。

到1850年，普鲁士仪器制造商F.A.Nobert开始为科学家提供优于弗劳恩霍夫的光栅。大约在1870年，光栅发展的场景回到了美国，对天文学有着浓厚兴趣的纽约律师L.M.Rutherford对光栅产生了兴趣。在短短几年内，卢瑟福学会了在窥器金属中规则反射光栅，这些光栅远远优于诺伯特制造的任何光栅。卢瑟福开发的光栅甚至超过了最强大的棱镜。不过，他制作的光栅很少，而且它们的用途也有限。

卢瑟福的兼职奉献精神虽然令人印象深刻，但无法与约翰·霍普金斯大学物理学教授H.A.Rowland罗兰取得的巨大进步相提并论。罗兰1882年的工作将光栅确立为光谱技术的主要光学元件。罗兰建造了复杂的刻划机，发明了凹面光栅，这是一种对现代光谱仪具有巨大价值的装置。他继续主要光栅，直到1901年去世。

H.A. Rowland罗兰取得巨大成功后，许多人开始研究衍射光栅。少数成功的人加剧了对光栅的科学需求。随着光栅在光谱工作中优于棱镜和干涉仪的优势越来越明显，对衍射光栅的需求远远超过了供应。

1947年，博士伦光学公司决定将精密光栅投入商业使用。1950年，在MITGeorgeR. Harrison乔治·R·哈里森教授的鼓励下，博士伦的DavidRichardson大卫·理查森和RobertWiley罗伯特·威利成功地生产出了他们的第一块高质量直纹主光栅。这个光栅是在一个重建的引擎上被刻划的，该引擎起源于芝加哥大学Albert A.Michelson阿尔伯特·a·迈克尔逊教授的实验室，他是第一位因“他的光学精密仪器以及在它们的帮助下进行的光谱和计量研究”而获得诺贝尔物理学奖的美国人（1907年）。随后开发了一种高保真复制过程，这对制作复制品至关重要，复制品是精心刻划的主光栅的复制品。