衍射光柵是一種利用衍射現象的光學器件，即衍射光學的一種。它包含一個週期性結構，導致空間變化的光學幅度和/或相位變化。最常見的是反射光柵，其中反射表面具有周期性的表面起伏，導致與位置相關的相位變化。然而，也有透射光柵，其中透射光獲得與位置相關的相位變化，這也可能來自表面起伏，或者來自全息（干涉）圖案。本文主要討論衍射發生在表面或表面附近的衍射光柵。請注意，還有體積布拉格光柵，其中衍射發生在大塊材料內部。
光柵衍射細節
考慮由光柵引起的位置相關相位變化的空間頻率是有益的。在最簡單的正弦相位變化情況下，只有兩個非零空間頻率分量，±2π/d，其中d是光柵結構的週期。與法線方向成θ角的入射光束沿光柵平面具有波向量分量k·sinθ，其中k=2π/λ，λ是波長。普通反射（如在鏡子上發生的）會導致反射光束具有面內波向量分量-k·sinθ。由於光柵的相位調製，可以有額外的反射分量和麵內波向量分量−k·sinθ±2π/d。這些對應於衍射級±1。由此，可以推匯出相對於法線方向的相應輸出光束角度：sinθout=-sinθin±λ/d
如果光柵的相位效應不是正弦形狀，則可能有多個衍射級m，輸出角度可以透過以下更通用的公式計算：sinθout=-sinθin＋mλ/d
請注意，衍射級可以使用不同的符號約定，因此該術語前面可能有一個減號。上述等式可能會導致模數大於1的sinθout值；在這種情況下，相應的衍射級是不可能的。下圖顯示了一個示例，其中衍射級數為-1至+3。
衍射光柵上所有可能衍射級的輸出光束。
每毫米800條線的反射式衍射光柵的輸出角作為波長的函式。入射光束與法線方向成25° 的固定角度。
上圖顯示了每毫米800條線的光柵示例，輸出角度如何隨波長變化。對於零階輸出（純反射，m=0），角度是恆定的，而對於其他階，它是變化的。例如，階數m=2僅適用於低於560nm的波長。由於每個輸出光束的方向（零級光束除外）都與波長有關，因此衍射光柵可用作多色儀。
作為波長除以光柵週期的函式的非零衍射級的顏色編碼數。
上圖顯示了衍射級數如何取決於波長和光柵週期的比率以及入射角。對於較短的波長和較大的光柵週期，階數增加。
輸出功率在衍射級上的分佈
與簡單的稜鏡不同，衍射光柵通常根據不同的衍射級產生多個輸出光束。一個重要的問題是輸出功率如何分佈在不同的衍射級上。換句話說，某些衍射級的衍射效率是令人感興趣的。這取決於與波長相關的相位變化的形狀，因此取決於光柵凹槽的詳細特性。一般來說，衍射效率可以用衍射理論計算。特定衍射級的高衍射效率對於各種應用是必不可少的。例如，脈衝壓縮器設定不應該浪費更多不可避免的產生的脈衝能量。此外，透過使用一個或多個高效光柵實現的光譜儀的高吞吐量導致高檢測靈敏度或可能降低對探頭照明的需求，這對於電池供電的儀器尤其重要。以下部分描述了最佳化衍射效率的常用技術。
閃耀光柵
可以最佳化衍射光柵，使得大部分功率進入某個衍射級，從而導致該級的高衍射效率。對於直紋光柵，這種最佳化導致所謂的閃耀光柵（小階梯光柵），其中位置相關的相變由鋸齒狀函式描述（線性增加，然後是突然的步驟）。必須針對輸入角和波長方面的給定條件最佳化相應表面輪廓的斜率。然而，這種最佳化僅適用於有限的波長範圍。也可以製造閃耀全息光柵，表現出類似的衍射效率最佳化，儘管當然與凹槽的幾何形狀無關。
高功率超連續譜光源的白光輸出透過衍射光柵在空間上分散，以展示光譜內容。光束路徑已使用霧機可見。
階梯光柵
階梯光柵是一種特殊型別的階梯光柵（=閃耀光柵），其閃耀角特別大（超過45°）。它們通常由相對較低的凹槽密度製成，以高入射角使用，並且為了獲得增加的角色散，使用高衍射級。它們主要用於光譜儀和相關型別的儀器——通常與普通光柵結合使用，以避免多級光的混淆。
利特羅配置
在所謂的反射光柵Littrow 配置中，衍射光束——通常是一階光束——沿著入射光束返回。這意味著以下條件：2sinθin=mλ/d
例如，當光柵充當線性鐳射諧振腔的端鏡時，使用 Littrow 配置。給定的光柵取向將波長固定在諧振器光束路徑閉合的鐳射介質的增益頻寬內，即鐳射操作是可能的。該技術用於製造波長可調鐳射器，例如外腔二極體鐳射器。
一些衍射光柵專門針對在或接近 Littrow 條件下的操作進行了最佳化：它們是閃耀光柵，以實現最大的衍射效率。光柵凹槽（假設是直紋光柵）的形狀使得結構的線性部分平行於入射光的波前。這也導致弱極化依賴性。當然，該最佳化僅適用於有限的波長範圍，因為其他波長的衍射角將偏離 Littrow 條件。
光柵的製作方法
傳統技術基於劃線引擎，這是一種高精度機器，可在金屬表面上機械壓印所需的表面浮雕（凹槽結構），例如，使用金剛石尖端。雖然這種刻線光柵很難用非常小的線間距製造，但它們可用於具有高衍射效率和寬頻寬的堅固金屬閃耀光柵。在光柵光譜儀中使用的一個缺點是，由於表面不規則，它們會導致大量的雜散光。此外，難以確保大面積的高均勻性。
鐳射微加工也可用於製作浮雕光柵，儘管尺寸稍大——主要適用於長波長應用。
全息表面光柵是用光刻技術（或有時用電子束光刻）製成的，它允許更精細的光柵結構。簡單的全息光柵具有正弦相位變化和低衍射效率，但它們只產生很少的雜散光，因為它們的表面可以非常規則。它們可以由多種硬質材料製成，例如二氧化矽和各種半導體，並且先進的製造技術可以生產精心控制的結構，例如閃耀光柵。大面積上的高度均勻性是可能的，但用於製造過程的光學器件的缺陷可能會產生疊加的“鬼光柵”。
全息體光柵在透明介質中具有周期性的折射率變化。（另請參閱有關體布拉格光柵的相關文章。）它們具有高衍射效率和低雜散光，但對溫度和溼度的變化很敏感。它們對溼度的敏感性可以透過用合適的表面層密封來降低。
也可以從單個主光柵複製許多光柵，主光柵本身可以用刻線引擎或全息技術製造。複製過程（通常涉及某種型別的鑄造）可以比母版的製造快得多，因此該方法非常適合大規模生產。
也可以在稜鏡上製作衍射光柵；稜鏡和光柵的組合有時被稱為“稜鏡”。可以選擇引數，使得某一中心波長的光透過光柵而沒有任何偏轉。另一種可能性是在介電鏡結構的頂部製作光柵，從而產生具有非常高衍射效率的反射光柵鏡。
不同型別的光柵
具有反射面的反射光柵和透射光柵，其中大部分入射光（衍射和非衍射）傳輸到另一側。
表面光柵具有在表面上或表面附近的光柵結構，而體光柵則將其分佈在更大的體積中。
此外，人們將表面浮雕光柵（利用浮雕結構）與全息光柵（具有折射率變化）區分開來。
可以使用不同的材料。例如，有金光柵，其反射層為金；其他可能的材料是例如鋁、銀和鏡金屬。其他光柵基於純介電結構。還有混合金屬-電介質衍射光柵，它可以實現更高的衍射效率 - 特別是在較短的波長下，金屬吸收強烈。
標籤通常反映所使用的製造方法——例如，有刻線光柵、全息光柵和複製光柵。
雖然在大多數情況下光柵表面是平面（平面光柵），但也有具有彎曲（例如球形凸面或凹面）表面的光柵。例如，這對於實現方便的成像特性是有利的。還有特殊的像差校正光柵。
有針對某些應用進行了最佳化的特殊光柵。例如，階梯光柵由相對較低的線密度製成，並用於近光柵入射和高衍射級。稜鏡是稜鏡，通常配備一個表面光柵。
一些光柵，例如全內反射光柵，基於特殊的工作原理並相應地命名。
有時，光柵根據其應用進行標記。示例是光譜儀光柵、光束組合光柵、鐳射調諧光柵和電信光柵。
衍射光柵的重要特性
線密度
：線密度決定了各種衍射級的角位置（甚至是否存在）。它可能受到所使用的製造方法的限制，但也可能涉及設計權衡。
尺寸和均勻性，波前質量
：大多數使用的衍射光柵只有毫米或幾釐米的尺寸，但也可以製造尺寸為幾十釐米甚至超過一米的非常大的光柵。一個技術挑戰是在整個光柵區域上實現高均勻性。高度均勻性對於獲得衍射光束的高波前質量至關重要。
衍射效率
：對於許多應用，衍射效率非常重要。這是在某個衍射級中獲得的入射光功率的分數。它通常僅針對所需的衍射級指定，而不針對較弱的不需要的級。它不僅取決於光柵本身，還主要取決於工作條件，例如光波長和入射角。衍射效率可能取決於線密度和其他因素，並且存在涉及衍射效率和其他特性的各種設計權衡。如上所述，閃耀光柵可實現特別高的衍射效率。一些透射光柵還實現了非常高的衍射效率——有時甚至比反射光柵更高，主要是透過避免金屬吸收。
光譜解析度和光束半徑
：例如，在光柵光譜儀中，可以利用衍射光柵之後的波長相關光束方向。可實現的波長解析度不僅取決於所獲得的角色散（例如，以每奈米微弧度為單位），還取決於光束的自然發散角：發散角越小，就可以越精確地確定角度的變化。因此，高波長解析度需要光柵上的大照明點。可以證明相對波長解析度Δ λ / λ是1 / （ m N ） 的數量級，其中m是所使用的衍射級，而N 是發光光柵槽的數量。
偏振相關
：通常，不同階的衍射效率可以是偏振相關的。對於反射光柵來說尤其如此，而透射光柵通常只表現出弱的偏振相關性。
損傷閾值
：特別是對於脈衝鐳射器的應用，光柵具有足夠高的光學損傷閾值非常重要（參見關於鐳射誘導損傷的文章）。良好的功率處理能力暫時符合低吸收損耗的要求，因為只有被吸收的光才有可能損壞光柵。如果光通量方面的損傷閾值沒有期望的那麼高，則可以操作具有相應較大光束面積（或接近掠入射）的光柵。然而，這種方法也遇到了限制，例如大光柵的可用性有限或需要裝置的緊湊性。一種有前景的方法是避免使用任何具有顯著光吸收的材料。例如，可以用具有極低吸收率和高鐳射誘導損傷閾值的純介電材料生產透射光柵。
熱效能
：通常，溫度變化會導致線間距的變化，這取決於所用材料的熱膨脹係數。不同型別的光柵在熱靈敏度方面可能有很大差異。在涉及高功率鐳射輻射的應用（例如光譜光束組合）中，熱敏感性尤其成為一個問題。
對準靈敏度
：衍射光柵的對準通常是高度敏感的，需要精確的精細機械和高機械穩定性。對準靈敏度不僅取決於光柵本身（例如其線密度），還取決於各種操作條件和應用。對準靈敏度的最小化通常是涉及光柵的光學裝置設計的一個重要方面。
處理衍射光柵
衍射光柵的處理——至少那些光柵靠近表面的——通常是相對微妙的。光柵表面相當敏感，例如不能接觸硬物或研磨材料。因此，清潔它們也相當困難；通常不應該嘗試用乾淨、乾燥的氮氣或空氣吹掉灰塵。例如，應儘可能避免任何脂肪、油或氣溶膠的沉積，因為在不損壞光柵的情況下去除這些沉積物可能是不可能的。
衍射光柵的應用
單色儀和光譜儀
許多衍射光柵用於光柵 單色儀和光譜儀，其中利用了與波長相關的衍射角。上圖顯示了單色器的典型設定。獲得的光譜中的偽影可能是由於多個衍射級的混淆而引起的，特別是如果記錄的波長範圍很寬，光譜分離也可以與成像相結合。
單色儀的設計
單色儀的設計
脈衝壓縮
成對的衍射光柵可用作色散元件，而輸出不會隨波長髮生角度變化。圖 5 顯示了具有四個光柵的 Treacy 壓縮器設定，其中所有波長分量最終重新組合；例如，它可以用於色散脈衝壓縮。當光被平面鏡反射回來時，光柵對可以實現相同的功能。（請注意，這樣的鏡子可能會稍微傾斜，這樣反射光在垂直方向上會稍微偏移，並且可以很容易地與入射光分離。）這種光柵設定用作色散脈衝展寬器和壓縮器，例如在啁啾脈衝放大。例如，它們可以產生比稜鏡對大得多的色散量。
四光柵設定，由兩個光柵對組成。光柵 1 根據波長分離輸入（圖中顯示了兩個不同波長的通道），在光柵 2 之後，這些分量是平行的。光柵 3 和 4 重新組合了不同的元件。總路徑長度取決於波長，因此光柵設定會產生大量的色散，例如可用於色散補償。
波長調諧
衍射光柵常常用於波長調諧的鐳射器。例如，Littrow 配置的光柵可用於外腔二極體鐳射器。
光譜光束合併
在光譜光束組合中，人們經常使用衍射光柵將來自不同發射器的波長略有不同的輻射組合成單一光束。
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光束整形衍射光學元件
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光束均勻/勻光器
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光束的分束與合束
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