闪耀光栅原理及其应用.pdf

2 0 0 8年 2月 第 2 7卷第 1期 重庆 文理学 院学报(自然科学版)J o u rnal o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f Ar t s a n d S c i e n c e s(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)F e b，2 0 08 V0 L 2 7 N l 闪耀光栅原理及其应用 张发国，喻洪麟(重庆 大学光 电技术及 系统教育部重点实验室，重庆4 O O O 4 4)摘要 近几年，随着硅微加工技 术的迅速发展和制作硅 光栅技术 的提 高，闪耀光栅的制作 变得更为容易 J 由于闪耀光栅具有零级分光的特性，使得它的应用研 究 日益成为人们 关注 的焦点 文章在阐述 闪耀光栅原理之后，介绍了 目前 国内外闪耀光栅在单 色仪、精密测量、激光 整形、显示技术、光通信等方面的应用情况【m 埘，并就其未来的发展做 了展望 关键词 闪耀光栅；单 色仪；ME MS；光开关 中图分类号 0 4 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 8 0 1 2(2 0 0 8)0 1 0 0 4 8 0 4 硅微加工技术的迅速发展带 动了微电子科 学的进步 与微电子产品相兼容的集成化和微型 化 的产品不仅为传 统的仪器及设 备开拓 了新的 应用领域，而且 出现 了微机械、微光学等在技术 上与硅微加工工艺相兼容的新学科 硅光栅在微 观上的周期性、结构上的特殊性及其加工工艺的 兼容性，使人 们 开始 在硅 基 材料 上 试制 光栅 1 9 7 5年，W T a n g和 S Wa n g首次在其论文 中报道 了利用硅加工技术制作 光栅 的信息，从此，关于 硅光栅 的研究 报 道开 始在 相关 文 献 中频频 出 现 ，基于 ME M S技术的闪耀光栅也在许多不 同的领域得到广泛的应用 闪耀光栅是一种能将单个刻槽面衍射 的中 央极大和诸槽 面间干涉零级 主极大分 开的相位 光栅型 由于它具有零级分光和易满足缺级的特 性，衍射效率很高；根据二元光学元件理论计算，当光栅一个周期 内台阶的数 目为 8时，在衍射的+1 级次，其衍射效率可 以到达 9 5 L 2 1 现在，闪 耀光栅在测量、显示、通信、激光束整形等领域 已 经得到广泛应用 1 闪耀光栅原理 闪耀光栅 的刻槽 面与光栅 面不平行，两者之 间有一夹角(称为闪耀 角)，从而使单个刻槽面(相 当于单缝)衍射 的 中央极大和诸槽 面间(缝 间)干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级 主极大，即零级光谱，转移并集 中到某一级光谱 上去，实现该级光谱的闪耀 光栅干涉主极大方 向是 以光栅面法线方 向 为其零级方 向，而衍射的中央主极大方 向则是 由 刻槽面法线方向等其它因素决定【3 J 闪耀光栅的光强分布公式为_ 4 j：，：l o s i n c 2()i n c (一m)z，1T m 1 T m=1，2，3 (1)其中，=2la X d(、s i n 3+s i n 0)，m=1，2，3；(2)A q,=s i n(一 )一s i n(3一 )，m=1，2，3 (3)O t 为闪耀角，卢为人射角，0为衍射角，d为光栅 常数，为缝数，m为衍射级 闪耀光栅的光栅方程为_ 4 J：2 d s i n o t c o s(O t 一卢)=mA，m=1，2，3 (4)闪耀光栅的衍射由人射角 卢、衍射 角 0及波 长 A决定 闪耀光栅 的干涉 由闪耀 角 O t、人射角 JB及波长 A决定 显然，闪耀光栅 的干涉与衍射 由不 同的因素决定 收稿 日期】2 0 0 7一l 1 0 6 基金项 目】重庆市 自然科学 基金 资助项 目(C S T C，2 0 0 7 B B 2 2 0 2)作者简介】张发国(1 9 8 1一)，男，江西东乡人，在读硕 士研究生，从 事光纤 通信及 宽带 网络技 术研究；喻洪麟(1 9 5 4一)，女，重庆 市人，教授，博士生导师，从 事光电技 术及 系统、光学测量及光 电信号检测等研究 4 8 光行天下论坛：h t t p:/w w w.o p t i c s k y.c n 2闪耀光栅 的应用 2 1 光栅 单 色仪 精密光栅单色仪是扫描式发射光谱仪器 的 关键光学部件，同时也是一种光电一体化的分光 仪器 光栅单 色仪利用闪耀 光栅作 为分光元件，将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任 意选择的光谱宽度很窄的单色光 其突 出的优点 是波段 的范围宽广，在全波段 色散均匀，单色光 的波长可以达到非常准确的程度 光栅单色仪的用途主要有两方面：一是从复 色光源中提取单色 光，二是测量 复色光 源的光 谱 单色仪 的研究 目的包括物质的辐射特性，光 与物质的相互作用，物质的结构(原子、分子能级 结构)，遥远星体的温度、质量、运动速度和方 向 它的应用范 围非 常广，可以用于采矿、冶金、石 油、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体 与空间物理(卫星观测)等等 单色仪由光源和照明系统、分光系统和接收 系统三部分组成，如 图 1 由光源 发出的复合 光 通过入射狭缝 S l照射到准直镜 M1后，变成平 行光束，再投射到光栅 G上 由光栅 G色散后，经聚焦镜 M2成像在 出射狭缝 s 2处 当精 密机 械传动系统按 一定方 向转动 光栅时，就可 以在 S 2处得到不 同波 长的单 色光束 光被 光电倍增 管接收，得到光强度信号 5 o J S l M2：反光镜P MT：光电倍增管 图 1 单色仪的结构和原理 2 2 精 密测量 光栅作为精密测量的一种工具，由于它本身 具有的优点。已在精密仪器、坐标测量、精确定位 等多个领域得到了广泛的应用 闪耀光栅可用于 位移 测量、转 角测量、光学三维 测量、温度测量 等 下面介绍位移测量和转角测量 光栅位移测量技 术是以光栅相 对移动所形 成的莫尔条纹信号为测量对象，对此信号进行一 系列的处理，即可获得 光栅相对移动 的位移量 将光栅位移传感器和电子 自动化技术相结合，进 行线形位移量的测量，实现较高的测量精度 转角测量原理如图 2所示 在楔形玻璃平板 上刻划线性反射式闪耀光栅，适当设计光栅常数 可使某级衍射光沿原路返 回 这样，当光栅楔形 平板绕 中心轴旋转时，该级衍射光线 的方向始终 保持不变，而其他 级次 的衍 射光线 呈圆锥形旋 转 控制光栅的闪耀角，使第 m衍射级发生在最 大光强方向上，这样就可以充分利用 m级衍射光 的能量，并提高灵 敏度，其他级次的衍射光线在 测量中可以不予考虑 测量 时，通过转动楔形平 板改变光束 的光程，干涉测量 中光程 的变化通常 对应着转角的变化 十涉仪模块 图 2测量 装置原 理图 2 3激 光整 形 半导体激光器列阵 的光束整形是通过光束 重排来实现的，即把准直后的激光束在慢轴方 向 分割成若干段，再让这些子光束在快轴方 向重新 排列形成对称 的光场分布 这样，慢轴方 向由于 光束尺寸减小 了，所 以光参数积也减小 了 时典 型的线阵激光器，准直后 的激光束为一 条细线，若把光束在慢轴方向分割成 段，则整形后慢轴 方向的光参数积将减小为 1 N，快轴方 向的光参 数积相应增大 倍，从而使得两个方向上的光束 质量较为均衡 利用不同闪耀角的二维闪耀光栅，对除中心 光束外的光束进行偏转，即使得这些光束在慢轴 方向向着系统的光轴方向偏转，在快轴方向向远 49 光行天下论坛：h t t p:/w w w.o p t i c s k y.c n 离系统光轴的方 向偏转 通过控制各光束的偏转 角度，我们可以使得各光束经过一段距离的传输 后在慢轴方 向重叠，在快 轴方 向分 开，重新排列 形成近似方形的光场分布 1 1,1 2,1 9,2 0 ，降低 了激光 的相位及强度噪声，改善了半导体激光器激光 输 的质量 协 t a)【i s CO mma t e d b e a m L w B 一 一咖 一l -_ _ _-_ _ _ _ 2 B P Ps I。wN 图3 光束重排示意圈 2 4显 示技 术 闪耀光栅在光栅笔划叠加 显示信 号测试 中 的汉字显示、基 于光栅扫描 的雷 达显示、闪耀 光 栅数字微镜显示等方面也正在成为人们研究 的 热点，尤其是在数字显示方 面具有非 常好 的应用前景 闪耀光栅不仅具有很高的分色能力，而且还 具有将零级次衍射光 的绝大部分能量转移到所 需级 次上的能力，衍射效率 可达到 1 0 0 设 计 适当的闪耀角，能使复合 白色光产 生的 R G B三 光处于最高衍射效率范围内 用 闪耀光栅作，示画面的光调制器，能最大限度地提高光源 的利用率 根据闪耀光栅的分色原理 用复合白色光源 以固定的入射角照射可转动的闪耀光栅微镜，可 在一个 固定的方 向上得到 由白色光源直接产生 的 R G B三基色 控制闪耀 光栅微镜转动到产生 红 R、绿 G、蓝 B三基色以及 暗态 的 4个 固定位 置，3个闪耀光栅微镜就可 以构成一个真彩色的 像素单元；用脉宽调制方式确定闪耀光栅微镜在 每个位置上的停 留时间，可使各个子像素所对应 的三基色具 有不 同的亮 度 3个 子像 素不 同亮 度、不 同基色的组合，就可 以产生一个像 素所需 的各种彩色；多个像素组成阵列，即可构成显示 画面 5 0 2 5光通信 器件 闪耀光栅在光通信领域也得到广泛应用 如 用于光信号解调、光交叉连接、光分插复用、光分 束等 1 6,1 7 多波长复合光信号聚焦在微闪耀光栅上，光 栅对不同波长的光衍射角不一样，于是可 以把复 合信号在空间上分离为不同波长的分量 如图4 所示，复合波长组成的信号光通过微闪耀光栅衍 射后，复合信号光在空间完成分离 透镜将分离 出的复合信号光汇聚进入各光纤中输出 6 培 工，厶 圈4 深浮鬣闪光解复用曩曩 2 2的光开关是构成光网络和大端 口光交 换开关的基本单元，它可以完成最基本 的交换动 作：直通(s t r a i g h t)和交叉(c r o 8 )，如 图 5所 示 这是一块双通道 的微闪耀光栅列阵，它可以 实现信号 1和信号2的交叉输出【l J 引。对于4 X 4、88的光开关 可以通过 2 X 2光开关 的级连 所构成的无阻塞光交换网络实现：口：三(a)S t r a i g h t(b)Cr o s s 圈 5 2 X 2鬣闪光光开关 3结语 闪耀光栅是一种应用非常广泛的衍射元件，其制备方法和选择材料都在不断得到改进 随着 硅微细加工技术的不断发展，制作 硅光栅的技术 也会相应得 到提高，纳 米级 的压 印技术 已经 出 现 硅光栅的制作工艺与微电子、微机械 制 作工艺的兼容性，使得闪耀光栅的制造也变得不 再困难 美国加州大学 B e r k e le y 传感器与改动 器研究中心的科技人员使用各 向异性刻蚀和多 光行天下论坛：h t t p:/w w w.o p t i c s k y.c n 晶硅面微细加工工艺制作了可动闪耀光栅，器件 可以用来制作 集成光谱仪，可 以达到 1 4 7 0 波长 分辨率，约为 0 4 n m 这使得制作集成式微型 光谱仪、集成光开关成为可能 参考文献 1 栾光辉，刘剑硅光栅技术 J 光机电信息，2 0 0 2(8)：1 31 5 2 郁道银，谈横英，等工程光学 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 9 3 石顺祥，张海兴，刘劲松，等物理光学与应用光学 M 西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 0 4 谢敬辉，赵达尊，阎吉祥，等物理光学教程 M 北京：北京理工大学出版社，2 0 0 5 5 苏嘉，张寅超，赵日峰，刘玉丽，洪光烈，赵培涛，屈凯峰，谢军双光栅纯转动拉曼测温激光雷达单色仪的光学 设计 J 中国激光，2 0 0 7(1)：9 2 9 6 6 曹彦波，王兴华，郇延富，于爱民，金钦汉 精密光栅单色仪接口与驱动电路 的研制 J 分析仪器，2 0 0 4(3)：l 1 1 4 7 邵双运，余浩基于光栅投射的光学三维测量仪的研制 J 研制与开发，2 0 0 7(2)：3 8 4 0 8 陈海燕，屠恒海基于A R M 内核微处理器的光栅位移测量系统 J 中国科技信息，2 0 0 7(4)9 陶卫，浦昭邦，万松反射式闪耀光栅楔形平板用于转角测量 J 仪器仪表学报，2 0 0 1(6)：9 6 9 8 1 O 郑春艳，郑国兴，周崇喜，杜春雷闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形 J 强激光与粒子柬，2 0 0 5 ，1 7 (S o)：6 2 6 6 1 1 江鹏飞，周燕，谢福增 闪耀光栅外腔反馈压窄半导体激光器线宽技术的研究 J 光学技术，2 0 0 6(1 1)：8 6 9 8 7 0 1 2 刘海见，王昌金，张玉叶 光栅笔划叠加显示信号测试中的汉字显示 J 宇航计测技术，2 0 0 4(1 2)：5 6 6 o 1 3 韩瑞新，刘小江，朱红胜，祝笑舟基于光栅扫描的雷达显示系统仿真 J 计算机仿真，2 0 0 5(1 1)：2 42 7 1 4 于慧颖，鲁敏，雍少为雷达 P P I 光栅扫描显示系统设计与实现 J 国防科技大学学报，2 0 0 7(1)：6 5 6 8 1 5 赵捷闪耀光栅数字微镜显示技术 J 现代显示，2 0 0 6(1)：3 9 4 4 1 6 杨俊波，苏显渝，徐平自由空间微闪耀光栅解复用器 J 光学技术，2 0 0 6(8)：5 3 3 5 3 6 1 7 杨俊波，苏显渝 自由空间的微闪耀光栅光开关 J 光电工程，2 0 0 6(9)：1 1 91 2 3 1 8 C h fi s t o p h e An t o i n e，X i a n g L i，J e nS h i a n g Wa n g，O l a v Sol g a a r d A r e e o n fi g u r a b l e o p t i c a l d e m u l t i p l e x e r b a s e d o n a MEMS d e f o r ma b l e b l a z e d g r a t i n g 1 9 x M Z h a n g I，H C a i I，A O L i u I，J Z H a o，D Y T ang，C L u ME MS I X I T MA N T U N A B L E L A S E R U S I N G C U R V E S H A P E D B L A Z E D G R A T I N G J T h e 1 3 t h I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e O i l S o l i dS t a t e S e n s o r s，A c t u a t o rs and M i e r o s y s t e ms，S e o u l，Ko r e a，J u n e 592 0 0 5：8 0 48 0 7 2 0 Hi to s h i T a m a d a，A y u m u T a g u c h i，K azu n a o O n i k i，K u n i h i k o S a r u t a a n d Y a s u y u k i I t o H i g h C o n t r a s t and E ffic i e n t B l a z e d G r a t i n g L i g h t V alv e f o r F u l l U D 5 0 0 0 L u me n L a s e r P r o j e c t o rs J 0 7 8 0 3 9 4 5 9 3 0 6$2 0 0 0(2 0 0 6 I E E E：】331 3 4 The Pr i n c i pl e a n d Appl i c a t i o n s o f Bl az e d Gr a t i ng ZHANG F ag u o YU Ho n gl i n (K e yL a b o r a t o r yo f O p t o e le c t r o n ic T e c h n o l o g ya n d S y s te ms o f t h e E d u c a t i o n M i n i s t r yo f C h i n a，C h o n g q i n g U n i v e r s it y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4，C h in a)Ab s t r a c t：I n r e c e n t y e a r s，wi t h t he r a p i d d e v e l o p me n t o f s i l i c o n mi c r o ma c hi ni n g t e c h n o l o g y a nd t h e e n。ha n c e me nt o f s i l i c o n g r a t i n g f a bric a t i o n t e c hn o l o gy，t h e f a bric a t i o n o f b l a z e d gra t i ng be c o me e a s i e r Be c a u s e bl aze d gr a t i n g h a s t he c ha r a c t e ris t i c s o f z e r o gra de s p e c t r o p h o t o me t r i c t hi s ma d e t h e a pp l i c a t i o n r e s e a r c h o t-bl aze d gra t i n g i n c r e a s i n g l y b e c o me p e o p l e s a t t e n t i o n f o c u s Th i s a r t i c l e e l a bo r a t e d b l az e d gra t i n g p r i t wi p l e，i n t r o du c e d t h e c u r r e nt a p p l i c a t i o n s i t ua t i o n o f b l aze d gra t i n g i n ma n y as p e c t s a t h o me an d ab r o a d s u c i 蟾 mo n o c h r o ma t o r、p r e c i s i o n me a s u r e me n t、l a s e r r e s h a p i n g、di s p l a y i n g t e c h n o l o gy、o pt i c a l c o mmu n i c a t i o n an d s o o n，t h e n p r o s p e c t e d i t s f u t u r e de v e l o p me n t Ke y wo r d s：Bl aze d gra t i n g；Mo n o c h r o ma t o r；MEMS；Op t i c al s wi t c h 光行天下论坛：h t t p:/w w w.o p t i c s k y.c n