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一文看看光栅的发展史

时间：2017-11-29 09:29作者：update 阅读(1578) 评论: 5

导读：光栅的发展史，大家可以看看。

　　1、光栅发展的早期

　　最早的光栅，要归功于美国天文学家李敦豪斯(David Rittenhouse，1732——1796)。1786年，他在两根由钟表匠制作的细牙螺丝之间，平行地绕上细丝，在暗室里透过它去看百叶窗上的小狭缝时，观察到三个亮度差不多相同的像，在每边还有几个另外的像，”离主线越远，它们越暗淡，有彩色，并且有些模糊。”他实际上制成了透射光栅，还在费城做了光栅实验。他制作的最好光栅，约为413线/mm。

　　1801年杨氏(Thomas Young，1773——1829)在“光的理论”一文中，介绍了他研究光栅的情况。他利用一块刻有相邻间隔约为0.05mm的一系列平行线的玻璃测微尺，当作光栅，作了如下的观察：“让阳光以45°方向入射，当其以某一条刻线为轴旋转时，可以测出光的偏转角；我发现最亮的红线出现在偏转角为1015°，20175°，32°和45°处，它们的正弦之比为1，2，3和4。”1813年，他认识到所观察到的彩色是由于相邻刻线的微小距离所致。

　　在光栅发展早期，人们对光栅的认识还只是初步的，在光栅制作上也仅仅是开始偿试。

　　2、夫琅禾费对光栅的研究和利用

　　夫琅禾费(Joseph Fraunhofer，1787——1826)从12岁就开始了学徒生涯。他将理论与技术实践密切结合，创立了光栅光谱学。

　　夫琅禾费用带棱镜的分光计细致地研究了太阳光谱，并将其最突出的暗线按照顺序以字母命名。1821年，他用两个完全相同的126牙／cm的细牙螺丝平行放置，在其相邻螺纹中绕上细丝，将细丝与螺丝粘好，去掉一面的细丝，剩下的一边成为栏栅状，制成了他的细丝光栅。他以太阳光谱中的暗线作基准标志，用自己改制的带有角游标的分光计进行衍射角的测量，研究衍射角与其他参数的关系。他改变入射角，换用不同粗细的金属丝绕制的光栅常量相同的光栅，绕制和刻划了十个光栅常量不同的光栅。他发现衍射角与丝的粗细或缝宽窄无关，而只与这两者之和即光栅常量d有关，即

　　d(sini+sinθn)=nΚ

　　其中i和θn分别为入射角和衍射角，n为级次，Κ为光波长。他在论文中说明杨氏是最早给出这一公式的人，他也是用双光干涉的模型得出了衍射光栅的理论的人。

　　他用分光计上的大角游标测定θn，而用小角游标测出i。光栅常量d是用显微镜上的螺旋测微装置测得的。他测得自制的最好光栅的d为0.003311mm，垂直入射i=0，对可见光θ1=10°。假定sinΑ≈Α，于是在(sini+sinθ1)中的误差为四个角位置的误差之和，在这个量中夫琅禾费估计的相对误差为1／1300，因而波长Κ的测量误差就不超过0.2%。在他测得的C，D，E，F，G和H几条暗线的波长中，除G线外，与现在的公认值比，误差都在上述范围内。

　　夫琅禾费对刻划光栅有浓厚的兴趣，对其偏振、闪耀和光栅间距的周期性改变作了一定的研究。他注意到光栅的光谱是偏振的，但偏振程度随级次而改变，在同一级光谱内也不相同。用他最好的光栅，在i=49°时，第一级的绿光几乎是全偏振的；但当入射角改变时，全偏振的情况也转移到了其他位置。

　　他制作的刻划光栅，有的在其对称轴一侧产生的光谱，比另一侧光谱强度的两倍还要强。他的显微镜尚不能分辨这些刻槽的细节以研究其形状，但他推断这与金刚石刻刀的形状有关。他用不同取向的金刚石刀尖在薄的油脂层上刻制光栅，这样可以使得制作一系列光栅时，金刚石刀尖的形状不会因磨损而改变。他发现不同形状的金刚石刀尖会使不同级次得到加强。

　　他刻制的一些光栅因刻线间距不均匀而有缺陷，因而认识到高质量与高度均匀性是一致的。”d完全无规律将根本不出现彩色，但使一个光栅的d值围绕一个值反复改变的效果是很有意思的。”他制造了一个特殊光栅，其间距从d1到d2，再到dn重复地交替改变。用太阳光作光源，发现仍能按正常顺序色散，但有的被完全抑制消失了；而另外一些，特别是高级次的却变强了，而且使暗线非常清楚。如果当时有分立谱线光源，他也许早已发现了光栅的”鬼线”。

　　3、光栅的进一步完善和发展

　　夫琅禾费逝世后较长一段时间内，光栅发展较为缓慢。1846年诺柏尔特(Fricdrich Adolph Nobert，1806——1881)制成240线／mm的透射光栅，但因其分辨率和强度较低，只能用作一种教学工具。后来用他的带有圆分度的机器，在玻璃上刻槽制成了光栅。他为埃斯特朗(AndersJonas Angstom，1814——1874)提供了四块光栅，用以测量太阳光谱中主要谱线的波长。

　　1867年卢瑟福(Lewis Merris Rutherfurd，1816——1892)设计了以水轮机为动力的刻划机，制作的光栅优于当时最好的光栅；1870年他在50mm宽的反射镜上用金刚石刻刀刻划了3500槽，这是第一块分辨率和棱镜相当的光栅；1877年他制出了680线／mm的光栅。

　　19世纪80年代，罗兰(Henry Augustus Row land，1848——1901)为了系统地测量光谱线的波长，致力于光栅刻划技术的提高，制成了优良的衍射光栅。罗兰是一位卓越的实验物理学家，又是一位工艺娴熟的技术能手。他发现”假如光栅刻线周期性地从其平均位置移动百万分之一 (合1／40Λm)，就会在光谱中产生鬼线。”他指出刻划机的关键部件就是那根带动装着光栅基片的机台前进的丝杠。其螺距若有误差，定会全部传递给被加工的零件。罗兰用普通车床制成了精密丝杠，装在刻划机上，生产出了性能优于棱镜的光栅。〔4〕

　　1882年他发明了凹面光栅，即将刻线直接刻划于凹球面镜的表面上。这样的光栅不仅将光色散成光谱，同时还把它聚焦成清晰的像，以避免玻璃透镜对辐射的吸收作用，适用于红外线和紫外线。他建立了一整套的凹面光栅理论，其中一条基本内容即罗兰圆理论。他自制的凹面光栅曲率半径长达613m；还用自制的凹面光栅拍摄了太阳光谱图，谱线多达两万条，精度大大超过了以往的成果。他所在的琼斯·霍普金斯大学为各国的研究单位生产了大量的光栅。

　　伍德(Robert Williams Wood，1868——1955)后来接替了罗兰的工作，1920年研究出通过改进光栅刻槽的形状，即利用“闪耀”技术，大大提高光栅的衍射效率。

　　经过一代又一代物理学家的不懈努力，光栅已成为实用的分光元件，在光谱学研究中发挥了重要作用。

　　4、现代光栅技术发展简介

　　为了减小刻划光栅的“鬼线”，人们又提出了解决丝杠误差的不同方法，使光栅刻划机得到改进。迈克尔逊(Albert Abraham Michelson，1852——1931)的关于利用干涉仪控制槽的位置的设想——即用干涉伺服系统来控制刻划机的方案，在1948年以后付诸实施，使刻槽位置相对光的波长确定下来，标志着光栅刻划技术进入了新阶段。

　　迈克尔逊在1927年还提出了利用两束相干的单色平行光产生的高度均匀的干涉条纹，记录在适当介质上以制造高精度光栅的方法。但当时既无激光那样强的光源，又无细颗粒记录材料。60年代中期，由于激光的出现，特别是高功率氩离子激光器的发展，克服了曝光时间长的困难，可使用感光速度慢的细颗粒光敏材料。1967年法国的Labeyrie与德国的Rudolph和Schmahl用光刻胶和Ar+激光器做出了此种光栅。因其可视为一个无限远处的点光源的全息图，又称为“全息光栅”。它可以消除残留的机械误差，曝光时间又与槽数无关，受到普遍欢迎。

　　光栅复制技术的发展，使成本显著降低，工期大大缩短。早期的复制法也称为塑料明胶复制法或二次复制法。50年代，采用了“真空蒸发复制法”复制光栅，它是在母光栅上一次复制出光栅来，而不必先做负片，故称为一次复制法。这种方法大大简化了工艺，提高了光栅质量和生产效率。

　　科学技术的进步，对光栅性能和制造技术也提出了更高的要求，例如增大刻划面积和提高分辨率；为了减小球差和像散，刻划非等间距的平面或凹面光栅；提高全息光栅的衍射效率等。

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