光栅种类 原理
光栅的种类
光栅的种类1、点阵式全像立体光栅是一种新型的立体表现方式，（也叫矩阵立体光栅）它的材料、观看、制作不同于柱镜立体光栅材料和狭缝立体光栅材料，制作出来的图象可以从上下、左右看。
科技含量相当高，目前美国、日本、台湾有这项全套技术，主要应用于防伪，还应用到显示屏，在不久的未来电视立体也会进入我们的家庭。
由于点阵式全像立体光栅成像技术复杂，装置成本与制作成本高，仿冒难度大，近期还难以广泛使用，预计在以下领域应用较好：•精品与贵重文物立体展示。
•知名大企业、跨国公司集团形象展示，高档立体广告灯箱展示。
•名人、影视明星、明模大幅立体相片摄制。
•高档名牌产品防伪印刷包装、标签。
2、柱镜光栅：表面有槽；1、膜材：没有介质，必须粘在有机板、玻璃上；玻璃又有不同的厚度，越厚，立体效果越明显。
1）、PET水晶模材：比PET膜材厚一些，一面光滑，一面发涩。
2）、PET模材：比较溥；两面发涩。
2、片材：厚度超过2.5mm称为片材.低于2.5mm的称为薄膜.（市场上的叫法）3、板材：本身就有介质，不需要再加介质，价格比较昂贵，120元/平方。
3、狭缝光栅：表面光滑，必须配合灯光才能看清。
有颜色。
中间介质需要4—8毫米。
常用分辨率：单位均为（像素/厘米），切不记错。
光栅主要有狭缝光栅和柱镜光栅两类，狭缝光栅即线型光栅，是最早较为成熟的光栅，其成像原理为针孔成像的原理。
因这种光栅比较容易制作，技术难度不大，所以在十几年前就有制作非常优美的大幅狭缝光栅立体灯箱广告出现。
现今一些立体制作公司仍乐于用狭缝光栅立体灯箱参与展览，效果是不错，但狭缝光栅立体灯箱有以下缺陷：透光率仅20-30% ，不环保，不节能，照明灯多耗能大，发热大，室外亮度不够，仅适用于室内。
柱镜光栅种类繁多主要有板材和模材两大类，其成像原理为弧面透镜折射反射成像原理。
柱镜光栅潜力较大，室内外打不打灯都可使用，市场普及率正不断扩大。
光栅膜材曾一度因具有价格竞争力而风靡过一阵，但由于现在柱镜光栅板价格的逐步下降，以及膜材需要粘贴及技术还有待提高的原因使其竞争力未显突出。
光纤光栅
光纤光栅与结构集成工艺原理方法及国内外研究现状概述 概述光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。
但是因为裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程中遇到了铺设工艺上的难题。
因此，对裸FBG 进行封装，是将FBG 传感器在实际应用中推广的一个重要环节，对于研制满足航空航天领域需要的体积小、质量轻FBG 传感器具有重要意义。
一、光纤光栅工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。
由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：二、光纤光栅的写入2.1 短周期光纤光栅的写制内部写入法(又称驻波法) 将波长488nm 的基模氢离子激光从一个端面祸合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。
此方法是早期使用的，该方法要求122πββ-=ΛΛ=n B 2λ锗含量很高，芯径很小，并且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此目前很少被采用。
全息成删法(又称外侧写入法) 1989年，Meltz等人首次用此方法制作了横向侧面曝光的光纤光栅。
用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。
写制设备装置如图2.1所示。
通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以得到不同栅格周期的光纤光栅。
但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
光栅优秀课件
光栅系统构成
光源 准直镜 标尺光栅 指示光栅 探测器分透镜读数头。指示光栅是四 裂 相 旳 ， 每 相 相 差 π/2 ， 每 相 背面置光电管，输出四相光电 信号：sin、cos、-sin、-cos。
3. 细辨别向原理
3.1 电子学细分和辨向 四倍频细辨别向
§5-3 衍射光栅
5.3.1 衍射光栅
能够使入射光旳振幅或位相，或者两者同步产生周期性 空间调制旳光学元件叫做衍射光栅。
d12
d
2 2
2d1d2
cos
1/ 2
莫尔条纹是周期函数。
（2）莫尔条纹旳种类
横向莫尔条纹（θ≠0）：
当 d2 =d1 cosθ 时，α=0，是严格旳横向莫尔条纹， 即当d1≠d2，总能找到一种θ角得到严格旳横向莫尔条 纹，此时B= d1ctgθ=W。
当d1=d2时，tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2)，即 α=θ/2。实际θ很小，可进似看作横向莫尔条纹，而 B
d2 d1 cos d1 sin
（令y00，x00为0）
莫尔条文1、2、3旳方程
y1
xtg
d 2 d1 cos d1 sin
x
y2
d 2 d1 cos P1 sin
x
d2
sin
y3
d 2 d1 cos d1 sin
x
d2
sin
莫尔条纹旳周期：
B d2 sin
或 W B cos d1d2
圆光栅分为径向和切向圆光栅两种
径向莫尔条纹
刻线从圆心向外辐
射；两栅距相同旳圆光
栅保持一种小偏心 e ，
形成圆弧莫尔条纹。在
偏心方向形成因栅距不
不同种类光栅的应用2
光栅的应用----光源光谱专题实验论文【摘要】：光栅是结合科技与印刷于一体的技术，能在特质胶片的作用下产生奇幻的视觉效果。
光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件。
它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片1。
不同的光栅在不同的领域中有不同的应用，本文主要介绍衍射光栅、正交光栅、全息光栅以及闪耀光栅在日常生产生活中的应用。
【关键字】：衍射光栅正交光栅全息光栅闪耀光栅【正文】：随着人们研究的深入，越来越多的光学现象被应用到生产生活中，光栅就是研究物理光学必不可少的光学仪器。
光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。
光栅的种类有很多，这里主要介绍衍射光栅、正交光栅、全息光栅以及闪耀光栅。
由大量等宽等距的狭缝构成的光学元件叫做衍射光栅。
不同的波长的亮线出现在不同衍射角方向上形成光谱，能够测定谱线的衍射角和光谱级，由于光栅常数已知，我们就可以利用光栅方程dsinθ=kλ求出该谱线的波长，相反的，如果波长已知，便可以求出光栅常数2。
目前衍射光栅已经应用到精密测量中，精确程度可以达到0.1nm。
衍射光栅的精度极高﹐性能稳定﹐分辨率高﹐但很难制造。
以衍射光栅为原理的太阳摄谱仪角色散高而且随波长的变化小﹐在各种光谱仪器中得到广泛应用。
正交光栅是由相互垂直的刻痕组成，当点状光照射正交光栅时，会得到方形点阵图案3。
两块正交光栅叠放在一起时，每一个点又可以发散成点阵图案。
转动靠近成像的光栅片，每个小图案都绕自己的中心转动，而移动另一个正交光栅时，每个小图案又围绕整个图案的中心转动。
而当一束光照耀该装置时，经过光的色散，就得到了七彩美丽的彩色图案。
舞台闪耀交错的光，如果都用光直接照射的话，会浪费大量的钱财和电。
运用正交光栅就可以很好的解决这个问题，在灯的末端加上两个正交光栅片，奇幻的灯光效果给舞台增彩不少。
全息光栅是利用全息照相技术制作的光栅。
光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术4。
光栅讲义
莫尔条纹的周期：
B d 2 sin
或
2 W B cos d1d 2 d12 d 2 2d1d 2 cos
1/ 2
莫尔条纹是周期函数。
（2）莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹（θ≠0）： 当 d2 =d1 cosθ 时，α=0，是严格的横向莫尔条纹， 即当d1≠d2，总能找到一个θ角得到严格的横向莫尔条 纹，此时B= d1ctgθ=W。 当 d1=d2 时， tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2) ，即 α=θ/2。实际θ很小，可进似看作横向莫尔条纹，而 B = d2/sinθ≈W是一个很大的值。
d d cos 纵向莫尔条纹（θ=0）：W=d2d1/（d1- d2）。 tg d sin 当d1=d2时为光闸莫尔条纹，W=∞。 B d 2 sin 斜向莫尔条纹：其余情况。 d1d 2
2 1 1
W
d
2 1
2 d2 2d1d 2 cos
1/ 2
长光栅莫尔条纹
W 1 d
（7-40）
一般θ很小，β 约 102～103 量级，条纹宽度大，易于安装光电 管；光闸莫尔条纹指示光栅为四裂相，易于安装光电管。
误差的平均效应：光电器件接收的是许多刻线透过的 光，对刻线工艺误差有平均作用。 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线 n 的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为 δ 0 时， 则光电器件输出的总误差
莫尔条纹测量原理
莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度；莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度，医学诊断和机器人视觉等。
光栅传感器种类
光栅传感器种类光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，用于测量物体的位置、运动、速度、加速度等参数。
根据不同的测量需求，光栅传感器可以分为多种类型，下面将介绍其中几种。
1. 接触式光栅传感器接触式光栅传感器是一种直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于需要直接接触物体，因此接触式光栅传感器通常使用在需要高精度测量的应用中，如机床加工、自动化生产线等领域。
2. 非接触式光栅传感器非接触式光栅传感器是一种不需要直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射或透过物体后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于不需要直接接触物体，因此非接触式光栅传感器通常使用在需要远距离、高速度测量的应用中，如机器人运动控制、航空航天等领域。
3. 绝对编码器绝对编码器是一种可以直接读取物体位置的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置信息。
由于可以直接读取物体位置，因此绝对编码器通常使用在需要高精度位置控制的应用中，如半导体设备、医疗设备等领域。
4. 增量编码器增量编码器是一种可以直接读取物体运动信息的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的运动信息。
由于可以直接读取物体运动信息，因此增量编码器通常使用在需要高速度控制的应用中，如电机控制、机器人运动控制等领域。
5. 二维光栅传感器二维光栅传感器是一种可以同时测量物体位置和形状的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个二维光栅来进行测量，二维光栅上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置和形状信息。
由于可以同时测量物体位置和形状，因此二维光栅传感器通常使用在需要高精度形状控制的应用中，如汽车制造、航空制造等领域。
光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
λ 1,λ 2,λ i-1,λ i, λ i+1,· · · ,λ n 3 λ i
λ i
λ 1,λ 2,λ i-1, λ i+1,· · · ,λ n
2020/5/6
9
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
（2）高温载氢处理
➢在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温 至600℃ ➢短时间（10秒）内增加光纤的光敏性 （3）火焰热处理 ➢氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ ➢持续20分钟 ➢光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3 ➢高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题
磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒 表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光 栅上不同位置的栅格间距（光栅常数Λ）被拉伸或挤 压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使 得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾 光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm 的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾光纤光栅。
28
光纤通信器件
在光纤通信中的应用
基于光纤光栅的WDM
λ 4
光 环 行 器 1
λ 1 1
2
光 环 行 器 2
λ 2 1
2
光 环 行 器 3
λ 3 1
2
光 纤 光 栅 1λ 1 3 λ 1
光 纤 光 栅 2λ 2 3 光 纤 光 栅 3 λ 3 λ 2
3λ 3 λ λ 1 3,,λ λ 2 4,
1 光 环 行 器 2 λ λ 1 i+,1λ ,· 2· ,· λ ,i-λ 1,λ ni,光 纤 光 栅
则波长漂移量为
1pesin20DMF
4GIP
2020/5/6
光栅光谱1
mf2
d cos
结论：
（1）光栅的角色散率与光栅常数d成反比，在满 足条件下，选用光栅常数小的光栅可获得大的角 色散。
（2）光栅的角色散率和光谱级次成正比。但对 一定的光栅而言，工作波段范围所能利用的级次
m受衍射角 的限制。
（3）光栅角色散率与衍射角 的余弦成反比， 当改变入射角以增大衍射角时，也可增大角色散 率。
条刻痕的平面透射光栅上。
求 (1) 光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？ (2) 光线以 30o入射角入射时，最多能看到第几级光谱？
解 (1) d sin k
d
1 600 103
1 6
105
m
kmax d
6
105 4.8 107
3
(2) d (sin sin30o ) k
自由光谱范围：
m (m 1)( )
m 1
上式说明，自由光谱范围是和光谱级次成反比的。
消除光谱仪器叠级的方法有： （1）利用滤光片滤去不需要的光谱级。 （2）色散交错法，利用辅助色散元件将不同级 次光谱拉开，称为预色散作用。
6.光栅光谱的缺级现象 由公式：
I c'a2 (sin u )2 (sin Nv )2 u sin v
m1
' m
(m 1 ) m( d)
N
R mN d
上式为光栅理论分辨率公式。要提高分辨率，应 采用高光谱级次和增加光栅刻线数。
增加光栅刻线数有两种方法：
（1）d一定，增加光栅刻划面宽度（受工艺影
响）。
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第四章 衍射光栅
掌握平面衍射光栅的实验装置、强 度分布特征及光栅方程
理解谱线的缺级、光栅光谱 了解闪耀光栅
主要内容: 1.平面透射光栅
2. 光强公式
3. 多缝衍射光强的讨论 4. 光栅的三个参量 5. 闪耀光栅
广义地说，具有周期性空间结构或光学性能 （透射率，反射率和折射率等）的衍射屏，统 称为光栅.
光栅设计完毕.
5. 闪耀光栅
普通光栅大部分能量集中于零级—无色散
原因 单缝衍射的零级主极大方向 = 缝间干涉的零级主极大方向
结果 分光作用的光谱仪能量利用小
目的 使二主极大方向分开——将大部分能量(衍射零 级)集中到1级极大位置
闪耀光栅：通过刻槽的形状实现
in T d id
可供选择的照明方式一：
T
a
GT ∆T半
即刚能分辨时，两亮纹中心的角距离恰等于每一亮纹的半角 宽度
由光栅方程,在 T 的衍射方向上满足
{
d
d sinT sinT (
j
jO1,
)(O
GO
.
N
定义：色分辨本领:
RO GO
4
jO ( j 1 )(O 'O ) N
j'O O 'O , N
得分辨本领公式
j j ' j jO
衍射光谱：各种波长的单色光经衍射光栅形成的一组谱线。 白光的衍射光谱：由连续组谱线构成。
注意：红在外，紫在内。并且每级分的开，所以比三棱镜产 生的光谱清晰得多。
1
1.平面透射光栅（振幅型，黑白光栅）
结构和现象
屏
L1 b T L2
幕
F1
S
P
T
F2
O
f1d
f 2d
a
光栅常数 d a b
2. 光强公式
由光栅方程 d sinT jO,
将 j 2, O 600nm 代入得 d 2400nm,
要求在该处可分辨600和600.005nm 的两谱线,
即要求分辨本领
R
O GO
600 0.005
1.2 v105.
因
R jN ,
所以 N 6 v10 4.
即所设计的光栅至少有6v104 条狭缝, 光栅宽 为 w =Nd=14.4cm .
即 d s in T ( j j '' ) O 时， N
干涉因子为零，合成强度为零.
(c) 干涉次极大
两个极小之间有一个次极大,在两个干 涉主极大之间 有(N-2)个次极大
(2) 衍射因子
衍射极小:
当a sin T
sin2 u u2
j ' O 时,
( j ' s1, s2, ")
衍射因子为零.光强亦为零,即使该方向为 干涉极大, 光强仍为零.
' j j(O 'O辨 )
O 'O jN . 'O
R jN.
例题
设计一光栅, 当用白光垂直照射时, 能在300的衍射 方向上观察到 600 nm 的第二级干涉主极大, 并在该 处分辨相距 GO=0.005nm 的两谱线, 可在300 衍射 方向上看不到 400nm 的第三级干涉主极大.
解: 在300方向上看到600nm 的第二级 主极大,
(1)干涉因子 sin 2 Nv sin2 v
(a)干涉主极大:
v jS , ( j 0, s1, s2 ")
即 d sinT jO 时, (光栅方程)
lim
vp jS
sin2 Nv sin2 v
N 2.
在满足 dsinT = jO 的衍射方向上，
光强为 I N 2 I 0 在屏幕的中心T
sin 2 u2
.
O
O
2
或
I
I0
sin 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
.
式中 u
S a sin T , 单缝边缘光束在 T 衍
O
射方向上位相差之半.
v Sd sin T , 相邻单缝在 T 衍射
O
方向上位相差之半.
sin2 u
光强公式中
u2
称为衍射因子,
sin2 Nv
sin 2 v 称为干涉因子.
3. 多缝衍射光强的讨论
设最上面的狭缝在P点的光振动相位为零,则 各点P点产生的复振幅分别为
U1 AT ei0 ,
U 2 AT eiG ,
U n AT ei(n1)G ,
U N AT ei(N 1)G .
AT
A0
sin u
u
,u
S a sinT O
于是P点的复振 幅为:
∑ U P
n N 1
AT einG
n0
透射式
反射式(闪耀光栅)
种类：
透射光栅， 反射光栅 平面光栅， 凹面光栅 黑白光栅， 正弦光栅 一维光栅， 二维光栅， 三维光栅
光栅的主要用途是作 分光元件，此外，也 可作长度测量和角度 测量．
机制光栅:玻璃片上刻划出 一系列平行等距的划痕
全息光栅:激光产生的干涉条纹在干 板上曝光，经显影定影制成全息光栅
光栅有N条狭缝,缝宽为a,光栅常 数为d．
由于透镜L2的作用，来自不同的 狭缝的T方向衍射光会聚在屏幕 上同一点，形成多光束干涉．
T d
'L
'L d sinT
在夫琅和费远场条件下，各缝在P点产生的
振动，振幅相同，相位不同.相邻两缝在T方 向上的光程差为
'L d sinT ,
相位差为
G
2S O
d
sinT .
B
刻槽
d
槽面
闪耀光栅方程 2d sinTB jO,
j=1 时的波长O1B为1级闪
TB
耀波长，夹角TB为闪耀 角。
5
可供选择的照明方式二：
T
b
B
刻槽
d
槽面
2TB
光栅方程： d sin(2TB ) jO
2T B
Homework 4.1 Page 30 3,5
6
0,
uLeabharlann . limT p0
sin u
2 2
u
1,
光强取得极大值: I N 2 I 0 .
（b） 干涉极小
当 sin Nv 0 时, 可以得极小光强 I
sin2 Nv
sin 0.
2
v
0,
因此极小的位置满足
v ( j j '')S . ( j 0, s1, s2")
N
( j '' 1, 2, 3 ", N 1.)
AT
1 eiNG 1 eiG
.
AT
e iN G eiG
2 2
eiNG 2 eiG 2
ei( N 1)G2
AT
sin
N
G 2
sin
G 2
ei
(
N
1)
G 2
上式的推导中,应用了等比数列前N项和公式
SN
a1(1 r N ) 1 r
式中 a1 1, r
以及欧拉公式
eiE eiE
现在来确定 a 和 b .
因 2 v 600 3v 400,
所以, 600nm的第2级与400nm的第三级干涉
极大在一个衍射方向上. 要使400 nm的极大
不出现, 必须把的3级干涉极大调制掉.因此取
d/a=3/j’, 即
ab
a
3 j'
,
(j'=1,2),
a
b
d,
a1 800nm, b1 1600nm. 解得: a2 1600nm, b2 800nm
光栅光强分布曲线 sin 2 u
u2
sin 2 Nv
2O a
O a
sin2 v
0
O
a
2O a
sinT
I0
sin 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
2O
O a
a
O
2O
a
a
0
5O d
4O d
2O d
O d
O 2O dd
4O 5O dd
sin T sin T
4. 光栅的三个参量
若在某衍射方向是 jd级衍射极小,又是j 级 干涉主极大,则有
{
a sinT d sinT
j 'O, jO .
3
由上面两方程, 得
j d j '. a
第j级干涉主极大被 jd级衍射极小调制掉
我们称这种现象叫作缺级.
例如 d 3, 则 j
a
被调制掉, 不出现.
s3, s6" 等级次
光栅光强是多光束干涉被 单缝衍射调制的结果
2). 自由光谱范围
自由光谱范围：
各色光干涉极大不发生级次交叠的最大波长范围
{
d sinT d sinT
( j 1)O, (O 'O) j.
由上两式解得
O( j 1) (O 'O) j,
'O
O2 . d sinT
3). 色分辨本领
* 每一谱线本身的宽度 相邻两谱线同一级强度恰能分辨的泰勒 (Taylor) 判 据
eiG 2i sin E.
所以
I
U P U P U
AT
P
sin
N
G 2
sin G
ei( N 1)G