一种反射式线性频域光栅及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学领域，特别涉及一种反射式线性频域光栅及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 现有的衍射光栅或棱镜对光的色散是波长线性的。这里所谓的对光的色散是波 长线性的，是指现有的衍射光栅或棱镜，由于其入射光波长的不同，其出射光的出射角也不 同，其入射光的波长与出射光的出射角之间存在线性关系。所以，由传统的衍射光栅或棱镜 制作的光谱仪只能是波长线性的。此时，入射光的频率与出射光的出射角之间是非线性的。 在很多场合，需要光学器件对光的色散是频率线性的，即入射光经过特定的光学器件衍射 之后，入射光的频率与出射光的出射角之间存在线性关系。
【发明内容】
[0003] 为了使光学器件对光进行频率线性的衍射，本发明提出了一种反射式线性频域光 栅的设
[0004] 计方法，包括直接对棱镜的一个斜面进行刻蚀以形成衍射层，根据需要可以镀以 反射膜从而
[0005] 对衍射层给予保护；由
[0006] n0sin 9 0= n (入）sin 9 !
[0007] 得到入射光经过光学玻璃界面后的出射角，其中％为第一介质的折射率，n ( A )为 第二介质的折射率，此处的第一介质可以是空气，此处的第二介质是棱镜，为入射光入 射棱镜的入射角，为入射光经过棱镜后的出射角；由
[0008] sin 0 != -sin(0 2+ a a 2)
[0009] 得到入射光进入衍射层时的入射角0 2，其中a :和a 2是棱镜的两个底角；
[0010] 然后由光栅方程：
[0011] 入? y .爪二]!(入）?（sin 9 2+sin 9 3)
[0012] 得到入射光经过衍射层后的衍射角，其中X为入射光的波长，y为衍射层的单 位条纹数，m为衍射光所在的级数，0 3为入射光被衍射层反射后的衍射角；棱镜的折射率 n( A )由制作棱镜的光学材料决定，具体为
[0013]
[0014] 其中n( A)为棱镜的光学折射率，^山^^为表征制作棱镜的光学材料 的光学特性的常数参数；对于底角为a的等角棱镜，由
[0015]
[0016] 得到入射光经过棱镜后的出射角，其中04为入射光经过棱镜后的出射角；由
[0017] 9 3=sirf1 ( u 入 _0? 5 u 入 c) -sirf1 (0? 5 u 入 c) +sirf1 (n (入）cos a )
[0018] 对波数的微分式
[0021] 对波数的微分式
[0027] 得到 [0028]
[0029] 其中，A。为入射光谱的中心波长，k为波数，k=2it/A;k。为入射光谱的中心波长 所对应的波数，ke=2 Jr / A。;选择适当的K K2、K3、Q、L2、L#P衍射层的单位条纹数y从而 se4 使得对波数k为常数，则入射光经过由衍射层和棱镜构成的线性频域光栅衍射后为 频率线性的。
[0030] 本发明还提出了一种反射式线性频域光栅，由本发明的反射式线性频域光栅的设 计方法设计得到，包括衍射层和棱镜；对棱镜的一个斜面进行刻蚀以形成所述的衍射层，根 据需要可以为衍射层镀上反射膜从而对衍射层给予保护；令
[0031]
56>4
[0033]则所述棱镜的{^、{^、{^、[^、。、[^和衍射层的单位条纹数^满足如下条件：^^. 对波数k为常数；其中，k=2it/ A，A为入射光的波长；Kn K2、K3、Q、L2、L#表征制作棱镜 的光学材料的光学特性的常数参数
，n ( A )为棱镜 的折射率；Q 3为入射光经过衍射层后的衍射角；a为棱镜的底角；k。为入射光谱的中心波 长所对应的波数，ke=2 31/X。，A。为入射光谱的中心波长；S 0 4为本发明的一种反射式线 性频域光栅的设计方法中的S 04。
[0034] 入射光经过本发明的反射式线性频域光栅衍射后形成的光谱是频率线性的。本 发明的反射式线性频域光栅可用于制作线性频域光谱仪，制作的线性频域光谱仪具有体积 小、重量轻、零散器件数目少、组装和调试时间短的优点，有效降低了线性频域光谱仪由于 界面反射带来的光损失和光噪声，同时降低了线性频域光谱仪的制造成本。本发明的反射 式线性频域光栅，广泛适用于光学成像OCT、光谱分析、光通讯等现代光谱学领域。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明的一种反射式线性频域光栅的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图详细说明本发明的一种反射式线性频域光栅及其设计方法。
[0037] 实施例1
[0038] 如图1所示，本发明的一种反射式线性频域光栅的设计方法，包括直接对棱镜的 一个斜面进行刻蚀以形成衍射层，根据需要可以镀以反射膜从而对衍射层给予保护；由
[0039] n0sin 9 0= n (入）sin 9 !
[0040] 得到入射光经过光学玻璃界面后的出射角，其中％为第一介质的折射率，n ( x )为 第二介质的折射率，此处的第一介质可以是空气，此处的第二介质是棱镜，为入射光入 射棱镜的入射角，为入射光经过棱镜后的出射角；由
[0041] sin 0 != -sin(0 2+ a a 2)
[0042] 得到入射光进入衍射层时的入射角0 2，其中a :和a 2是棱镜的两个底角；
[0043] 然后由光栅方程：
[0044] 入? y .爪二]!(入）?（sin 9 2+sin 9 3)
[0045] 得到入射光经过衍射层后的衍射角，其中X为入射光的波长，y为衍射层的单 位条纹数，m为衍射光所在的级数，0 3为入射光被衍射层反射后的衍射角；棱镜的折射率 n( A )由制作棱镜的光学材料决定，具体为
[0046]
[0047] 其中n ( A )为棱镜的光学折射率，Kp K2、K3、Lp L2、L3为表征制作棱镜的光学材料 的光学特性的常数参数；对于底角为a的等角棱镜，由
[0048]
[0049] 得到入射光经过棱镜后的出射角，其中04为入射光经过棱镜后的出射角；由
[0050] 9 3= sin ( u 入 _0? 5 u 入 c) -sirf1 (0? 5 u 入 c) +8；[]1-1 (n (入）cos a )
[0061]
[0062] 其中，X。为入射光谱的中心波长，k为波数，k = 2it/ X ;k。为入射光谱的中心波 长所对应的波数，ke= 2 Jr / A。;选择适当的K K2、K3、Q、L2、LjP衍射层的单位条纹数y SO, 从而使得^^对波数k为常数，则入射光经过由衍射层和棱镜构成的线性频域光栅衍射后 为频率线性的。
[0063] 如图1所示，本发明的一种反射式线性频域光栅，由本发明的反射式线性频域光 栅的设计方法设计得到，包括衍射层2和棱镜3 ;对棱镜3的一个斜面进行刻蚀以形成所述 的衍射层2,衍射层2上根据需要可以镀有反射膜1，反射膜1可以保护衍射层2 ;令
[0064]
se4
[0065] 则所述棱镜的{^、{^、{^、"、、、[^和衍射层的单位条纹数^满足如下条件：^^ 对波数k为常数；其中，k = 2 Jr /A，A为入射光的波长；&、K2、K3、LpL2、L3为表征制作棱 镜的光学材料的光学特性的常数参数；：
（A)为棱 镜的折射率；Q 3为入射光经过衍射层后的衍射角；a为棱镜的底角；k。为入射光谱的中心 波长所对应的波数，ke= 2 31/A。，A。为入射光谱的中心波长；S 0 4为本发明的一种反射 式线性频域光栅的设计方法中的S 04。
【主权项】
1. 一种反射式线性频域光栅的设计方法，其特征在于，包括直接对棱镜的一个斜面进 行刻蚀以形成衍射层，由 n0sin 0 0= n (入）sin 0 : 得到入射光经过光学玻璃界面后的出射角，其中％为第一介质的折射率，n(A)为第二 介质的折射率，此处的第一介质可以是空气，此处的第二介质是棱镜，0 ^为入射光入射棱 镜的入射角，0i为入射光经过棱镜后的出射角；由 sin 0 != -sin( 0 2+ a a 2) 得到入射光进入衍射层时的入射角02，其中a:和a2是棱镜的两个底角； 然后由光栅方程： 入? y .爪二]!(入）?（sin 9 2+sin 9 3) 得到入射光经过衍射层后的衍射角，其中A为入射光的波长，y为衍射层的单位条纹 数，m为衍射光所在的级数，03为入射光被衍射层反射后的衍射角；棱镜的折射率n(x)由 制作棱镜的光学材料决定，具体为其中n(A)为棱镜的光学折射率，KpK2、K3、LpL2、L3为表征制作棱镜的光学材料的光 学特性的常数参数；对于底角为a的等角棱镜，由得到入射光经过棱镜后的出射角，其中04为入射光经过棱镜后的出射角；由 9 3= sin ( y入-〇? 5 y入c) -sirf1 (0? 5 y入c) +8；[]1-1 (n (入）cos a ) 对波数的微分式对波数的微分式对波数的微分式其中，X。为入射光谱的中心波长，k为波数，k= 2Jr/A;k。为入射光谱的中心波长所 对应的波数，ke= 2Jr/A。;选择适当的KK2、K3、Q、L2、L#P衍射层的单位条纹数y从而 Sd4 使得^对波数k为常数。2.如权利要求1所述的一种反射式线性频域光栅的设计方法，其特征在于，所述棱镜 是等角棱镜。3. -种反射式线性频域光栅，其特征在于，由权利要求1所述的一种反射式线性频域 光栅的设计方法设计得到，所述的反射式线性频域光栅包括衍射层和棱镜；对棱镜的一个 斜面进行刻蚀以形成所述的衍射层，令则所述棱镜的1(1、1(2、1(3、1 1、12、1^和衍射层的单位条纹数11满足如下条件：对波 数k为常数；其中，k= 2Jr/A，A为入射光的波长；KnK2、K3、Q、L2、L3为表征制作棱镜的 光学材料的光学特性的常数参数；n(X)为棱镜的 折射率；0 3为入射光经过衍射层后的衍射角；a为棱镜的底角；k。为入射光谱的中心波长 所对应的波数，ke= 2Jr/A。，A。为入射光谱的中心波长；S0 4为权利要求1的一种反射 式线性频域光栅的设计方法中的S04。4. 如权利要求3所述的一种反射式线性频域光栅，其特征在于，衍射层上镀有反射膜。5. 如权利要求3所述的一种反射式线性频域光栅，其特征在于，所述棱镜可以是等角 棱镜。
【专利摘要】本发明涉及光学领域，特别涉及一种反射式线性频域光栅及其设计方法。本发明的反射式线性频域光栅包括衍射层和棱镜；对棱镜的一个斜面进行刻蚀以形成所述的衍射层，根据需要可以为衍射层镀上反射膜。入射光经过本发明的反射式线性频域光栅衍射后形成的光谱是频率线性的。本发明的反射式线性频域光栅可用于制作线性频域光谱仪，制作的线性频域光谱仪具有体积小、重量轻、零散器件数目少、组装和调试时间短的优点，有效降低了线性频域光谱仪由于界面反射带来的光损失和光噪声，同时降低了线性频域光谱仪的制造成本。本发明的反射式线性频域光栅，广泛适用于光学成像OCT、光谱分析、光通讯等现代光谱学领域。
【IPC分类】G02B5/18, G02B27/00
【公开号】CN104991301
【申请号】CN201510424703
【发明人】胡志林
【申请人】美昇科技（成都）有限公司
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月19日