本文簡(jiǎn)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(gè)科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了更重要的實(shí)驗(yàn)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(wú)與倫比的準(zhǔn)確性和精確性的常規(guī)工具，作為原子種類的探測(cè)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(xiàng)信息，沒(méi)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(lái)，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(shí)驗(yàn)測(cè)試涉及用光柵光譜儀驗(yàn)證對(duì)氫光譜的預(yù)測(cè)。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(guò)程提供了線索，也為宇宙中物體的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)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(lái)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?yàn)樗軌驅(qū)⒍嗌夥蛛x（分散）成其組成的單色成分。近年來(lái)，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?rùn)C(jī)和光學(xué)記錄硬件的機(jī)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(huì)導(dǎo)致光柵具有觀賞性，但幾乎沒(méi)有技術(shù)或科學(xué)價(jià)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(xiàng)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(zhǎng)相當(dāng)。它可以被認(rèn)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(shí)，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(chǎng)振幅或相位或兩者都會(huì)以可預(yù)測(cè)的方式發(fā)生變化。從光柵或通過(guò)光柵的衍射會(huì)產(chǎn)生一組或多組離散的衍射波，這些衍射波是通過(guò)相長(zhǎng)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(guò)機(jī)械刻劃或全息記錄“從頭開(kāi)始”創(chuàng)建的。replicagrating復(fù)制光柵是指其表面浮雕圖案是通過(guò)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(jiǎn)史

1785年，美國(guó)天文學(xué)家DavidRittenhouse大衛(wèi)·里滕豪斯制造了第一個(gè)衍射光柵，他報(bào)告稱建造了一個(gè)半英寸寬、53個(gè)孔徑的光柵。他沒(méi)有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這個(gè)原型，也沒(méi)有證據(jù)表明他試圖將其用于嚴(yán)肅的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1821年，約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（Josephvon Fraunhofer）很可能沒(méi)有意識(shí)到里滕豪斯的工作，他開(kāi)始研究衍射光柵，他看到了光柵色散對(duì)新光譜學(xué)的價(jià)值。弗勞恩霍夫的堅(jiān)持使光柵具有足夠的質(zhì)量，使他能夠測(cè)量太陽(yáng)光譜的吸收線，現(xiàn)在通常稱為弗勞恩霍費(fèi)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(duì)為自己的實(shí)驗(yàn)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?jī)x器制造商F.A.Nobert開(kāi)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(chǎng)景回到了美國(guó)，對(duì)天文學(xué)有著濃厚興趣的紐約律師L.M.Rutherford對(duì)光柵產(chǎn)生了興趣。在短短幾年內(nèi)，盧瑟福學(xué)會(huì)了在窺器金屬中規(guī)則反射光柵，這些光柵遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于諾伯特制造的任何光柵。盧瑟福開(kāi)發(fā)的光柵甚至超過(guò)了最強(qiáng)大的棱鏡。不過(guò)，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(xiàn)精神雖然令人印象深刻，但無(wú)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(jìn)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?rùn)C(jī)，發(fā)明了凹面光柵，這是一種對(duì)現(xiàn)代光譜儀具有巨大價(jià)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(kāi)始研究衍射光柵。少數(shù)成功的人加劇了對(duì)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(shì)越來(lái)越明顯，對(duì)衍射光柵的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(lì)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(gè)光柵是在一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行的光譜和計(jì)量研究”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國(guó)人（1907年）。隨后開(kāi)發(fā)了一種高保真復(fù)制過(guò)程，這對(duì)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。