用拼接法获取大面积衍射光栅

　　1　引　　言

　　衍射光栅是一种精密的分光元件,它通常是采用在玻璃毛坯上每毫米制作出几十到几千条刻线来获取的。目前衍射光栅已不再仅仅应用于光谱分析上了, 已广泛地扩展应用于光通信、精密计量、集成光学、信息处理以及激光核聚变等诸多方面。当今光栅的发展趋势正朝着高效率、大面积、新品种的方向发展。

　　衍射光栅的制造历史已逾百年。1823年,Fraunhofer制作出世界上第一块衍射光栅,半个多世纪后Rowland制作出世界上第一块性 能优良的光栅(刻划宽度152mm、分辨率超过15万),并建立了光栅理论。Rowland还首先制成了凹面光栅和既简单而象差又小的分光仪。凹面光栅对 紫外光谱的研究起着很大的推动作用。但是,Rowland是在铜锡合金上刻划光栅的,这种合金在可见光区域的反射率较高,而在近紫外区域反射率会下降到 10%以下,在真空紫外区域就更低了。后来,Wood将光栅刻划在镀有金属薄膜的玻璃表面上,使光栅的衍射效率有所提高。Ander-son和Wood还 研究了光栅模型对光强分布的影响,并且提出了“闪耀光栅”理论,大大地提高了衍射效率。由于光栅刻划很费时间又需要昂贵的设备,并且对刻划条件要求也很苛 刻,所以人们提出了光栅的复制方法,这一方法使得光栅的制造成本大大降低。

　　这以后,光栅制造技术的进步经历了几次大的改进,每次大的改进都依赖于理论上的突破和技术上的进步。其中最重要的当属两件事:其一为20世纪 50年代,Harrison将干涉光电技术用于控制光栅刻划过程,使得刻制更高质量的衍射光栅成为可能,现在利用带有这种干涉反馈控制装置的刻划机已成功 地刻制出用于天文上的尺寸大至308×408mm的衍射光栅。与Rowland时期相比,色散和集光效率均大大提高,而鬼线和杂散光也减小了几个数量级。 其二为20世纪60年代末,随着激光技术的发展而发明的全息光栅制作技术,它是采用记录激光干涉条纹来制取光栅的,用这种方法制取的光栅具有无鬼线、杂散 光强度低、制作周期短以及校正象差(凹面光栅)等诸多优点[1]。后来通过采用离子刻蚀的方法使全息光栅的闪耀效率得到提高,达到了与刻划光栅相同的水 平,这样全息离子刻蚀光栅技术就成为光栅制作的主流技术。

　　为了满足研制新一代大型天文望远镜、研究激光核聚变等方面的需要,超大面积衍射光栅的制取就向光栅专家们提出了严峻的挑战。例如:美国 University of Texas计划要研制300英寸的天文望远镜,其附属耐氏焦点光谱仪所需的光栅尺寸为600×900mm[2];美国Lawrence LivermoreNational Laboratory(LLNL)在激光核聚变项目上使用大面积光栅来对激光脉冲进行压缩,他们使用的光栅面积更是达到940×750mm[3]。能否获 取大面积的衍射光栅已经成为这些项目成败的关键之一。