什么是衍射光栅
一种由密集、等间距平行刻线构成的光学器件。分反射和透射两大类。它利用多缝衍射和干涉作用,将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散,再经成像镜聚焦而形成光谱。天文仪器中应用较多的是反射光栅,它的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英,上面镀铝,然后把平行线刻在铝膜上。图为高倍率放大的光栅刻槽面形状,光栅色散可用方程mλ=C(sini+sin嗞)描述,式中i为入射角,取正值,嗞为衍射角。当衍射光与入射光在光栅法线同一侧为正,反之为负;C为光栅常数,m为一个整数。当入射角i给定时,对于满足光栅方程的每个m值,都有相应的m级光谱。每个波长的光能量分散在诸光谱级中。现代刻制光栅的技术,能使所有刻线槽截面具有相同的、严格规定的形状和尺寸。选择适当入射角,可使所需的波长及其邻近波段的绝大部分(达70%)的光能量集中到预定的光谱级中。这种集中光能量的性质称为“闪耀”。起衍射作用的刻线槽面与光栅面的夹角β,称为闪耀角。具有这种性质的光栅称为闪耀光栅或定向光栅。另一方面,满足m1λ1=m2λ2……的不同光谱级次的谱线,在焦面上重迭。同所需谱线重迭的其他谱线,一般用有色玻璃隔去。光栅角色散 ,理论分辨本领R=λ/δλ=mN。此处δλ为可分辨的最小光谱单元宽度,N为刻线总数。
衍射光栅的精度要求极高,很难制造,但其性能稳定,分辨率高,角色散高而且随波长的变化小,所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。天文光学仪器应用的光栅主要有:
(1)平面反射光栅:刻线密度一般每毫米300~1,500线,最常用的是每毫米600线,光谱级m≤5。折轴恒星摄谱仪要求尽可能高的聚光能力,光栅面积愈大愈好,在低光谱级次工作。而太阳摄谱仪要求高色散和高分辨率,使用较高的光谱级次。目前使用有效的光栅刻线面的宽度在200~300毫米,最大可达600毫米。
(2)中阶梯光栅:是刻线密度较低的平面反射光栅,最常用的刻线密度是每毫米79线,具有较好的定向性能,闪耀角通常取为63°26',工作于高光谱级次(m≈40)。利用色散方向与它垂直的平面光栅分开重迭级次,可以得到二维结构的光谱图,应用到像管摄谱仪十分有利。由于中阶梯光栅的角色散是平面光栅的二倍或更多,因此使用它的摄谱仪结构紧凑。
(3)透射光栅:用作物端光栅。如将透射光栅刻制在棱镜斜面上,即成非物端光栅,多用于大望远镜。
参考书目N. Carleton ed.,Methods of Experimental Physics,Vol.12,Part A,Academic Press, New York,1974.
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