【光电集成】刻线衍射光栅

来源:今日光电发布时间:2023-07-193002浏览

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为商业用途制造的第一个衍射光栅是机械划线的，通过用金刚石工具在施加到平面或凹面上的蒸发金属的薄涂层上单独抛光凹槽来制造。这种刻划光栅的复制品被用于许多类型的激光器、光谱仪器和光纤通信设备。

刻划机器

刻线衍射光栅生产中最重要的部件是被称为刻线设备，在该设备上对母光栅进行刻线。这些设备中的每一个都产生具有非常低的罗兰重影、高分辨率和高效率均匀性的光栅。

选定的金刚石，其晶体轴被定向以获得最佳行为，用于形成光栅槽。刻线金刚石由熟练的金刚石工具制造商精心成型，以产生每个光栅所需的精确凹槽轮廓。在刻线过程中来回移动钻石的支架必须将其位置保持在几纳米以上，刻线时间可能从一天持续到几周。

The Michelson 设备

1947年，Bausch Lomb从芝加哥大学获得了其第一台刻划设备；这台设备最初由迈克尔逊在1910年代设计，并由Gale重建。它经过了进一步的改进，大大提高了性能，并连续生产出高达200 x 250毫米刻线区域高的质量光栅。

迈克尔逊设备最初使用干涉仪系统来绘制导螺杆的误差曲线，从中推导出合适的机械校正凸轮。1990年，该系统被基于激光干涉仪的数字计算机伺服控制系统所取代。迈克尔逊设备的不同寻常之处在于，它涵盖了所有标尺设备中最宽的凹槽频率范围：它可以标尺粗至每毫米32个凹槽（g/mm）、细至5400 g/mm的光栅。

The Mann设备

第二台刻线设备自1953年以来一直在生产光栅，最初由马萨诸塞州林肯市的大卫·W·曼公司建造。BauschLomb按照麻省理工学院Harrison的技术为其配备了干涉控制系统。Mann设备可以对110 x 110毫米以下的区域进行刻线，几乎没有可检测到的重影，分辨率接近理论。

虽然刻线设备的导螺杆被研磨到可达到的最高精度，但螺纹和轴承中始终存在残余误差，必须进行补偿才能产生最高质量的光栅。Mann设备配备了一个自动干涉仪伺服系统，当每个凹槽被规则化时，该系统会不断地将光栅支架调整到正确的位置。实际上，伺服系统模拟了一个完美的螺丝。

The MIT 'B' 设备

第三台刻线设备由Harrison建造，并于1968年迁至Rochester。它具有将平面光栅刻划到有史以来最高精度的能力；这些光栅可以高达420mm宽，具有高达320mm长的凹槽（每毫米在20和1500之间）。它使用基于频率稳定激光器的双干涉仪控制系统，不仅可以监测工作台的位置，还可以校正残余偏航误差。

该设备产生的光栅几乎具有理论分辨率，实际上消除了罗兰鬼影，并最大限度地减少了杂散光。它还能刻划几乎完美的阶梯光栅，这是刻划设备最苛刻的应用。

The MIT 'C' 设备

第四台刻划设备也由Harrison于20世纪60年代建造，并于20世纪70年代移交给亚利桑那州图森市的天文学研究大学协会（AURA），在那里安装它是为了支持Kitt Peak National Observatory。当时，使用集成电路技术将原来的控制系统升级为固态系统。1995年，该设备被 Richardson Gratings公司收购并转移到该公司。开发了一种基于激光的控制系统，该系统使用两个干涉仪进行平移和偏航校正。“C”设备的光栅架行程为813毫米，可以对凹槽长度为460毫米的光栅进行划线；该设备具有高达400毫米x 600毫米的光栅，具有良好的波前和效率特性，与“B”设备的光栅相当。

母光栅是在精心挑选的几种不同材料的退火良好的基板上划线的。通常可在BK-7光学玻璃、特殊等级的熔融二氧化硅或特殊等级的肖特ZERODUR®之间进行选择。对于绿光，这些衬底的光学表面被抛光至接近λ/10，然后涂上反射膜（通常是铝或金）。

在刻划设备周围的环境中，补偿温度和大气压力的变化尤其重要。对于小型刻划设备，室温必须保持在0.01°C以内（对于大型设备，室温保持在0.005°C以内）。由于刻划过程的干涉控制使用单色光，其波长对空气折射率随压力波动的变化很敏感，因此大气压力必须由系统补偿。2.5毫米汞柱（300帕）的压力变化会导致百万分之一波长的相应变化。如果干涉仪的光路接近零，则这种变化可以忽略不计，但在刻线过程中，随着光路的增加，这种变化会变得显著。如果这种影响得不到补偿，则刻线设备的托架控制系统将对波长的这种变化做出反应，从而导致凹槽间距的变化，这种变化很容易传递到金刚石上。这可以通过将设备支座悬挂在弹簧上来实现，该弹簧隔离从2或3 Hz到大约60 Hz的频率之间的振动，高于该频率的振动幅度通常太小而不会对刻线母光栅质量产生明显影响。

母光栅的实际刻划是一个漫长、缓慢和艰难的过程。在刻划开始之前，设备的设置需要高超的技巧和耐心。关键对准需要使用高功率干涉显微镜，或者使用电子显微镜来获得更精细的凹槽。

在每次显微镜检查后，重新调整金刚石，直到操作者确信凹槽形状适合被划线的特定光栅。这种艰苦的调整虽然耗时，但会产生非常“明亮”的光栅，几乎所有衍射光能都集中在光谱的特定角度范围内。这种选择性地将光集中在光谱的某一部分的能力是闪耀衍射光栅与所有其他光栅的区别。

成品母光栅经过仔细测试，以确保其完全符合规范要求。为评估所有重要特性而进行的各种测试包括光谱分辨率、效率、罗兰重影强度和表面精度。适当时使用波前干涉测量法。如果光栅符合所有规格，那么它将被用作我们复制光栅的母版。

可变线间距（VSL）光栅

一个多世纪以来，人们一直在努力保持连续凹槽之间的间距均匀，因为母光栅是刻划的。在1893年的一篇论文中，Cornu意识到凹槽间距的变化改变了衍射波前的曲率。虽然周期性和随机变化被认为会产生杂散光，但Cornu认识到光栅表面上凹槽间距的均匀变化会改变光谱焦点的位置，如果适当考虑，则不需要将其视为缺陷。他确定，如果在准直入射光中使用平面经典光栅，其本身就没有聚焦特性，如果在其凹槽间距中存在系统性的“误差”，则该光栅将聚焦衍射光。他能够通过绘制三个光栅来验证这一点，这些光栅的凹槽位置被指定为随着每个凹槽的绘制而变化。这种光栅，其中直平行凹槽的图案在连续凹槽之间具有可变但明确定义的（尽管不是周期性的）间距，现在被称为可变线空间（VLS）光栅。VLS光栅尚未在商业仪器中使用，但偶尔会在同步加速器光源的光谱系统中使用。

来源：光子位