渐变闪耀面光栅

本发明涉及光栅，特别涉及一种渐变闪耀面光栅。

背景技术：

1、闪耀光栅是一种特殊形式的反射式或透射式衍射光栅，对于单一闪耀角的闪耀光栅，根据光栅方程，mλ＝d(sinα)-sin(β))，其中d是光栅常数，α是入射角，β是衍射角，m是衍射级次，λ是m级次下的闪耀波长，如附图1所示，给定入射光的入射方向，光栅的闪耀角和所需要的衍射级次，可以确定出射方向上的闪耀波长，闪耀波长对应着光栅衍射效率的最大值，随着入射波长偏离闪耀波长，衍射效率逐渐下降。这就导致了应用光栅的仪器只能使用闪耀波长两侧比较窄的波段范围，因为在这个区间内衍射效率符合设计要求，如图2所示，这是周期为7微米，单一闪耀角为45°的光栅在准直入射的条件下-2阶衍射效率随入射波长变化的曲线，可以看出衍射效率在入射波长5微米达到峰值，随着入射波长增大与减小，衍射效率快速下降如果要满足衍射效率大于百分之三十的要求，在准直入射的条件下，这个单一闪耀角光栅的可用波长范围为3.93到5.57微米。

2、目前，拓宽光栅衍射效率波段的方法主要有两种，一种是先加工出两个不同闪耀角的光栅，再将这两个光栅进行拼接(如图3a)；另一种是在一个光栅周期内加工出双闪耀角(如图3b所示)。

3、对于一种先加工出两个不同闪耀角的光栅，再拼接的方法，存在如下三个问题：1、光栅拼接中常规方法不完全适用、而先前的相关研究尚不完善；2、使用并联拼接法制作变栅距光栅存在改善栅线弯曲情况的可能，但还缺少相关研究；3、双闪耀光栅具备较好的宽波段衍射效率，可以考虑使用机械拼接法制作这种光栅，但同样也缺少相关方面的报道。对于另一种在一个光栅周期内加工出双闪耀角的方法，也存在着加工难度过大和加工精度比较差的问题。

4、除此之外，对于上述两种提高光栅衍射效率波段的方法，如图4所示，整个光栅的衍射效率为两块光栅在不同波长上衍射效率的平均值，可以看出，在两个衍射效率峰值中间存在衍射效率下降的区间(如图4的350纳米左右)。这样就存在一对矛盾，即如果设计的两个闪耀波长间距过大，则两个闪耀波长中间就会出现衍射效率低的区间，如果设计的两个闪耀波长间距过小，就失去了宽波段闪耀的能力。因此发明出一种宽波段闪耀的光栅就显得很有必要。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种渐变闪耀面光栅，能够解决光栅器件所要求的大于某一衍射效率情形下的可用波长范围窄的问题，实现光栅在较宽波长范围内具有较高衍射效率。

2、根据本发明实施例的渐变闪耀面光栅，包括多个渐变闪耀面，每个所述渐变闪耀面对应的闪耀角的大小在所述渐变闪耀面的长度方向上自一区域向另一区域呈渐变增大趋势。

3、因对于光栅周期确定且入射角度确定的光栅光学系统，闪耀角的改变直接对应着闪耀波长的改变，本发明实施例的渐变闪耀面光栅相当于无数个固定闪耀角光栅的叠加，根据光栅方程，闪耀角越大，闪耀波长也就越大。也就是说，复色光在渐变闪耀面的一区域处会有一个闪耀波长，光线越靠近渐变闪耀面的另一区域处，闪耀波长越长。光栅的衍射效率是光栅各个部分衍射效率取平均值，在本发明实施例的渐变闪耀面光栅的最小闪耀角和最大闪耀角所对应的闪耀波长的区间内部，衍射效率会呈现一种相对平缓的变化，可以避免单闪耀角光栅闪耀波长范围窄的问题，也可以避免双闪耀角光栅衍射效率会在两个闪耀波长之间剧烈下降的问题。

4、根据本发明实施例的渐变闪耀面光栅，可以解决光栅器件所要求的大于某一衍射效率情形下的可用波长范围窄的问题，实现光栅在较宽波长范围内具有较高衍射效率。

5、在一些实施例中，每个所述渐变闪耀面对应的所述闪耀角的大小在所述渐变闪耀面的长度方向上自一端向另一端呈连续增大趋势。

6、在一些实施例中，多个所述渐变闪耀面均相同。

7、在一些实施例中，所述渐变闪耀面光栅的材质为金属或非金属。

8、在一些实施例中，所述渐变闪耀面光栅为非拼接的一体成型件。

9、在一些实施例中，所述渐变闪耀面光栅采用高频非谐振振动切削加工系统并采用三角形轨迹的成型方法对基体工件材料进行加工而得到。

10、在一些实施例中，所述高频非谐振振动切削加工系统包括三轴超精密运动平台、高频非谐振振动装置、刀具、辅助工装夹具和振动装置电源驱动系统；其中，所述三轴超精密运动平台用于安装所述基体工件材料；所述刀具安装在所述高频非谐振振动装置上，所述高频非谐振振动装置安装在所述辅助工装夹具上，所述振动装置电源驱动系统驱动所述高频非谐振振动装置。

11、在一些实施例中，所述振动装置电源驱动系统包括信号发生装置和功率放大器；所述三角形轨迹的成型方法为将三角形轨迹的位移分别做x、y两个方向上的分解，再利用所述信号发生装置拟合x方向和y方向上的幅值时间关系，再利用所述信号发生装置生成结果并通过所述功率放大器传导到压电堆栈上，最终由所述刀具实现预期的三角形轨迹。

12、在一些实施例中，所述刀具为金刚石刀具，所述刀具的前角为0°，所述刀具的后角为30°且大于光栅底角的最小值。在一些实施例中，采用如下方法进行设计：

13、根据仪器工作波长要求确定入射波长范围；

14、根据仪器光路设计确定入射角和衍射角；

15、合理选择所用光的衍射次级，根据加工能力选择光栅周期；

16、使所述入射波长范围、所述入射角、所述衍射角、所述衍射次级和所述光栅周期统一满足光栅方程。

17、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种渐变闪耀面光栅，其特征在于，包括多个渐变闪耀面，每个所述渐变闪耀面对应的闪耀角的大小在所述渐变闪耀面的长度方向上自一区域向另一区域呈渐变增大趋势。

2.根据权利要求1所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，每个所述渐变闪耀面对应的所述闪耀角的大小在所述渐变闪耀面的长度方向上自一端向另一端呈连续增大趋势。

3.根据权利要求1所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，多个所述渐变闪耀面均相同。

4.根据权利要求1所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述渐变闪耀面光栅的材质为金属或非金属。

5.根据权利要求1所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述渐变闪耀面光栅为非拼接的一体成型件。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述渐变闪耀面光栅采用高频非谐振振动切削加工系统并采用三角形轨迹的成型方法对基体工件材料进行加工而得到。

7.根据权利要求6所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述高频非谐振振动切削加工系统包括三轴超精密运动平台、高频非谐振振动装置、刀具、辅助工装夹具和振动装置电源驱动系统；其中，所述三轴超精密运动平台用于安装所述基体工件材料；所述刀具安装在所述高频非谐振振动装置上，所述高频非谐振振动装置安装在所述辅助工装夹具上，所述振动装置电源驱动系统驱动所述高频非谐振振动装置。

8.根据权利要求7所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述振动装置电源驱动系统包括信号发生装置和功率放大器；所述三角形轨迹的成型方法为将三角形轨迹的位移分别做x、y两个方向上的分解，再利用所述信号发生装置拟合x方向和y方向上的幅值时间关系，再利用所述信号发生装置生成结果并通过所述功率放大器传导到压电堆栈上，最终由所述刀具实现预期的三角形轨迹。

9.根据权利要求7所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，所述刀具为金刚石刀具，所述刀具的前角为0°，所述刀具的后角为30°且大于光栅底角的最小值。

10.根据权利要求1-5中任意一项所述的渐变闪耀面光栅，其特征在于，采用如下方法进行设计：

技术总结
本发明公开了一种渐变闪耀面光栅，包括多个渐变闪耀面，每个所述渐变闪耀面对应的闪耀角的大小在所述渐变闪耀面的长度方向上自一区域向另一区域呈渐变增大趋势。本发明能够解决光栅器件所要求的大于某一衍射效率情形下的可用波长范围窄的问题，实现光栅在较宽波长范围内具有较高衍射效率。

技术研发人员：王健健,冯平法,戴维,陈志锰,张建富,郁鼎文,吴志军,张翔宇
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13