凹面反射光柵可以被建模為分散的凹面鏡;它可以被認(rèn)為是通過其孔來反射和聚焦光，并通過其凹槽圖案來分散光。凹槽圖案還可以有助于像差減少的凹面光柵聚焦。

自從Henry Rowland在一百多年前發(fā)明凹面衍射光柵以來，凹面衍射光柵在光譜分析中發(fā)揮了重要作用。與平面光柵相比，它們提供了一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：它們?yōu)楣鈻盘峁┝司劢?成像)特性，否則必須由單獨(dú)的光學(xué)元件提供。對(duì)于低于110nm的光譜，對(duì)于可用反射鏡涂層的反射率較低的光譜，凹光柵允許沒有聚焦反射鏡的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將使通量降低兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)量級(jí)。

已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多用于凹面光譜儀的結(jié)構(gòu)。有些是羅蘭圓的變體，而有些則將光譜放在平坦的場(chǎng)上，這更適合于電荷耦合器件(CCD)陣列儀器。Seya Namioka凹光柵單色儀特別適合通過繞其自身軸旋轉(zhuǎn)光柵來掃描光譜。

光柵類型的分類

凹入光柵系統(tǒng)的成像特性由入射和出射光學(xué)器件的尺寸、位置和取向、由光柵引起的像差、以及由光柵引起的衍射，以及系統(tǒng)中任何輔助光學(xué)器件引起的像差來控制。衍射光柵本身的成像特性完全由其襯底的形狀(其曲率或圖形)以及凹槽的間距和曲率(其凹槽圖案)決定。光柵根據(jù)其凹槽圖案和襯底曲率進(jìn)行分類。

凹槽圖案

經(jīng)典光柵是指其凹槽在投影到切平面上時(shí)形成一組等距直線的光柵。直到20世紀(jì)80年代，絕大多數(shù)光柵都是經(jīng)典的，因?yàn)槿魏纹x均勻間距、凹槽平行度或凹槽直線度的情況都被認(rèn)為是缺陷。傳統(tǒng)光柵通常通過機(jī)械刻劃和干涉(全息)記錄來制作。

第一代全息光柵的凹槽由共聚焦雙曲面族(或橢球體)與光柵基底的相交形成。當(dāng)投影到切平面上時(shí)，這些凹槽的間距和曲率都不相等。第一代全息光柵是通過將主光柵記錄在由兩組球面波前產(chǎn)生的場(chǎng)中而形成的，每一組球面波前可以從點(diǎn)源發(fā)出或聚焦到虛擬點(diǎn)。

第二代全息光柵使來自其點(diǎn)源的光被凹面鏡反射(或透射通過透鏡)，使得記錄波前是環(huán)形的。

可變線空間(VLS)光柵是這樣一種光柵，其凹槽在投影到切平面上時(shí)形成一組平行直線，其間距因凹槽而異。改變光柵表面上的凹槽間距會(huì)移動(dòng)切向聚焦曲線，而保持凹槽平直和平行會(huì)保持矢狀聚焦曲線固定。

基板(空白)形狀

凹面光柵是指其表面是凹面的光柵，無論其凹槽圖案或輪廓如何，也無論其使用的底座如何。例如，球形基底(其表面是球體的一部分，可通過一個(gè)半徑定義)和環(huán)形基底(可通過兩個(gè)半徑限定)。球形基底是迄今為止最常見的凹形基底類型，因?yàn)樗鼈円子谥圃旌凸?，并且可以直接?fù)制。環(huán)形基底更難對(duì)齊、公差和復(fù)制，但像散通常比使用球形基底更容易校正。也可以使用更通用的基底形狀，如橢球形或拋物面基底，但公差和復(fù)制復(fù)雜性使這些光柵表面脫離主流。此外，使用其表面比環(huán)面的表面更通用的非球面基底，對(duì)于兩個(gè)最低階像差(離焦和像散;)沒有提供任何額外的設(shè)計(jì)自由度;因此，在商業(yè)儀器中，由于非球面襯底而改進(jìn)的成像值得付出成本的情況非常少。

凹光柵的形狀(僅考慮球體和環(huán)面)可以通過其半徑或曲率來表征。襯底切片在主(色散)平面中的半徑稱為切向半徑R，而在平行于光柵中心凹槽的平面中的徑向半徑稱為矢狀半徑p。等效地，我們可以定義切向曲率1/R和矢狀曲率1/p。對(duì)于球形基底，R=p。

平面光柵是指表面是平面的光柵。雖然平面光柵可以被認(rèn)為是凹光柵的一種特殊情況(基板的曲率半徑變?yōu)闊o窮大)，平面光柵的情況可以簡(jiǎn)單地通過讓R(和p)。

審核編輯 黃宇