衍射光柵的歷史及重要作用

本文簡單介紹了衍射光柵的歷史及其重要作用。

很難指出還有哪一種裝置比衍射光柵為每個科學(xué)領(lǐng)域帶來了更重要的實驗信息。物理學(xué)家、天文學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、冶金學(xué)家都將其作為一種具有無與倫比的準確性和精確性的常規(guī)工具，作為原子種類的探測器，用于確定天體的特征和行星中大氣的存在，研究分子和原子的結(jié)構(gòu)，并獲得一千零一項信息，沒有這些信息，現(xiàn)代科學(xué)將受到極大的阻礙。

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

多年來，光譜學(xué)在物理學(xué)研究中一直很重要，現(xiàn)在它在天文、生物、化學(xué)、冶金和其他分析研究中也同樣重要。量子力學(xué)的第一次實驗測試涉及用光柵光譜儀驗證對氫光譜的預(yù)測。在天體物理學(xué)中，衍射光柵為恒星和行星大氣的組成和過程提供了線索，也為宇宙中物體的大規(guī)模運動提供了線索。在化學(xué)、毒理學(xué)和法醫(yī)學(xué)中，基于光柵的儀器用于確定樣品中化學(xué)物質(zhì)的存在和濃度。在電信領(lǐng)域，光柵正被用于使用波分復(fù)用（WDM）來增加光纖網(wǎng)絡(luò)的容量。光柵在調(diào)諧和光譜整形激光以及啁啾脈沖放大應(yīng)用中也有許多用途。

衍射光柵在光譜學(xué)中具有相當(dāng)重要的意義，因為它能夠?qū)⒍嗌夥蛛x（分散）成其組成的單色成分。近年來，衍射光柵的光譜質(zhì)量得到了極大的提高，理查德森光柵一直是這一發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者。

現(xiàn)代衍射光柵所需的極高精度要求將金剛石工具、刻劃機和光學(xué)記錄硬件的機械尺寸及其環(huán)境條件控制在物理上可能的極限。精度較低會導(dǎo)致光柵具有觀賞性，但幾乎沒有技術(shù)或科學(xué)價值。制造精密衍射光柵的挑戰(zhàn)引起了世界上一些最有能力的科學(xué)家和技術(shù)人員的注意。只有少數(shù)人取得了可觀的成功，但每一項都受到現(xiàn)有技術(shù)的限制。

2 衍射光柵TheDiffractionGrating

TheDiffractionGrating衍射光柵是反射（或透射）元件的集合，它們之間的距離與所研究的光的波長相當(dāng)。它可以被認為是衍射元件的集合，例如不透明屏幕中的透明狹縫（或孔）圖案，或基板上的反射槽的集合。在任何一種情況下，衍射光柵的基本物理特性都是折射率的空間調(diào)制。衍射時，由于光柵表面附近區(qū)域折射率的變化（通常但不總是周期性的），入射到光柵上的電磁波的電場振幅或相位或兩者都會以可預(yù)測的方式發(fā)生變化。從光柵或通過光柵的衍射會產(chǎn)生一組或多組離散的衍射波，這些衍射波是通過相長干涉產(chǎn)生的。

reflection grating反射光柵由疊加在反射表面上的光柵組成，而transmission grating透射光柵則由疊加在透明表面上的光柵組成。

master grating主光柵（也稱為original grating原始光柵）是一種光柵，其表面浮雕圖案是通過機械刻劃或全息記錄“從頭開始”創(chuàng)建的。replicagrating復(fù)制光柵是指其表面浮雕圖案是通過鑄造或模制另一光柵的浮雕圖案而產(chǎn)生的光柵。

3 光柵發(fā)展簡史

1785年，美國天文學(xué)家DavidRittenhouse大衛(wèi)·里滕豪斯制造了第一個衍射光柵，他報告稱建造了一個半英寸寬、53個孔徑的光柵。他沒有進一步開發(fā)這個原型，也沒有證據(jù)表明他試圖將其用于嚴肅的科學(xué)實驗。

1821年，約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（Josephvon Fraunhofer）很可能沒有意識到里滕豪斯的工作，他開始研究衍射光柵，他看到了光柵色散對新光譜學(xué)的價值。弗勞恩霍夫的堅持使光柵具有足夠的質(zhì)量，使他能夠測量太陽光譜的吸收線，現(xiàn)在通常稱為弗勞恩霍費爾線。他還推導(dǎo)出了控制光柵色散行為的方程。弗勞恩霍夫只對為自己的實驗制作光柵感興趣，他死后，他的設(shè)備就消失了。

到1850年，普魯士儀器制造商F.A.Nobert開始為科學(xué)家提供優(yōu)于弗勞恩霍夫的光柵。大約在1870年，光柵發(fā)展的場景回到了美國，對天文學(xué)有著濃厚興趣的紐約律師L.M.Rutherford對光柵產(chǎn)生了興趣。在短短幾年內(nèi)，盧瑟福學(xué)會了在窺器金屬中規(guī)則反射光柵，這些光柵遠遠優(yōu)于諾伯特制造的任何光柵。盧瑟福開發(fā)的光柵甚至超過了最強大的棱鏡。不過，他制作的光柵很少，而且它們的用途也有限。

盧瑟福的兼職奉獻精神雖然令人印象深刻，但無法與約翰·霍普金斯大學(xué)物理學(xué)教授H.A.Rowland羅蘭取得的巨大進步相提并論。羅蘭1882年的工作將光柵確立為光譜技術(shù)的主要光學(xué)元件。羅蘭建造了復(fù)雜的刻劃機，發(fā)明了凹面光柵，這是一種對現(xiàn)代光譜儀具有巨大價值的裝置。他繼續(xù)主要光柵，直到1901年去世。

H.A. Rowland羅蘭取得巨大成功后，許多人開始研究衍射光柵。少數(shù)成功的人加劇了對光柵的科學(xué)需求。隨著光柵在光譜工作中優(yōu)于棱鏡和干涉儀的優(yōu)勢越來越明顯，對衍射光柵的需求遠遠超過了供應(yīng)。

1947年，博士倫光學(xué)公司決定將精密光柵投入商業(yè)使用。1950年，在MITGeorgeR. Harrison喬治·R·哈里森教授的鼓勵下，博士倫的DavidRichardson大衛(wèi)·理查森和RobertWiley羅伯特·威利成功地生產(chǎn)出了他們的第一塊高質(zhì)量直紋主光柵。這個光柵是在一個重建的引擎上被刻劃的，該引擎起源于芝加哥大學(xué)Albert A.Michelson阿爾伯特·a·邁克爾遜教授的實驗室，他是第一位因“他的光學(xué)精密儀器以及在它們的幫助下進行的光譜和計量研究”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的美國人（1907年）。隨后開發(fā)了一種高保真復(fù)制過程，這對制作復(fù)制品至關(guān)重要，復(fù)制品是精心刻劃的主光柵的復(fù)制品。