什么是衍射滤光片？

衍射滤光片是一种利用光的衍射效应来实现光谱调控的光学元件。它可以将光线分成多个波长的分光，并具有较高的光谱分辨率，通过设计特殊的衍射光栅结构，使光在通过滤光片时发生衍射效应，从而实现对特定波长光线的选择性透过。这种滤光片通常具有较高的分辨率和较宽的透过波长范围。

工作原理

衍射滤光片的工作原理主要基于光的衍射现象。衍射是光波在遇到障碍物或通过孔洞时发生的弯曲和散播现象。在衍射滤光片中，通过在滤光片表面刻划特定的图案或结构（即衍射光栅），当光线通过这些结构时，会发生衍射，使得特定波长的光线得到增强或衰减，从而实现对光的滤波处理。

（飞行盘光栅）

常用的衍射滤光片结构

栅栏式衍射滤光片: 由一组平行细缝组成，可以将光线分成多个等间距的衍射级。

阶梯式衍射滤光片: 由一系列不同高度的台阶组成，可以将光线分成多个不同波长的衍射级。

光栅耦合衍射滤光片: 由两个或多个光栅耦合而成，可以实现更复杂的光谱调控。

（光栅镜）

特点

高光谱分辨率: 衍射滤光片可以将光线分成多个波长的分光，并具有较高的光谱分辨率，可以分辨相邻波长很接近的光线。

灵活的光谱调控: 衍射滤光片的结构可以根据需要进行设计，可以实现各种光谱调控功能，例如可以滤除特定波长的光、改变光线的波长分布等。

小型化: 衍射滤光片可以制成很小的尺寸，易于集成到光学系统中。

应用领域

衍射滤光片在光谱分析、光学通信、激光技术、光学仪器、科研实验等领域具有广泛的应用。

光谱分析：衍射滤光片可以用于光谱仪中，将光线分成多个波长的分光，用于分析物质的光谱特性。

光学通信: 衍射滤光片可以用于光通信系统中，用于多路复用和解复用光信号。

激光技术: 衍射滤光片可以用于激光器中，用于产生特定波长的激光。

光学仪器：在显微镜、望远镜等光学仪器中，衍射滤光片可用于增强图像的对比度和清晰度。

科研实验：在物理、化学等科研实验中，衍射滤光片可用于控制实验条件，实现特定波长的光照射。

衍射滤光片是一种利用光的衍射现象来实现光线滤波的光学元件。它具有高分辨率、灵活性和宽透过范围等特点，在光谱分析、光学仪器和科研实验等领域有着广泛的应用。随着科技的进步，衍射滤光片的设计和制造技术也在不断发展，以满足更高精度和更复杂应用的需求。

衍射光栅的核心应用（一）

衍射光栅是一种高分辨率的光学色散元件。随着衍射光栅制造技术的不断发展，各类型的光栅相继而出，光栅的用途也日益广泛，如今衍射光栅不仅可用于光谱学，还能广泛用于惯性约束聚变、激光加工、天文、计量、光通讯、AR显示等众多领域。

01

光栅在光谱仪中应用

光栅是各种光谱仪的核心部件，包含不同波长的复合光经过它之后会产生色散现象，从而获得在空间有规律排列的窄带单色光。谱仪一般可用于物质的定量和定性分析，如光源特性、溶液浓度、光的生物效应和透明物质光学特性等研究工作。广泛应用于物理、化学、冶金、农业、环保、制药、造纸、建筑、材料、仪器仪表和医药卫生等行业，是企业生产、科研、教学领域必不可少的检测仪器。

图源：Science 371, eabe0722 (2021)

02

光栅在惯性约束聚变中应用

惯性约束聚变是实现可控核聚变的重要手段，其基本思想是通过高能脉冲激光瞬间将一个含有聚变物质氘和氚的微型燃料靶丸加热至超高温度，并同时对它施以极大压力，将靶丸物质高度压缩而导致“点火”引发核聚变的过程。

在惯性约束核聚变的过程中，不仅需要光栅把激光脉冲压缩到皮秒脉宽来实现“快点火”，也需要光栅对其聚变反应过程进行探测。脉冲压缩光栅是获得发生惯性约束聚变所需高能量短脉冲激光的核心光学元件。

在快点火方案中，通过激光-等离子体相互作用，把一束约10千焦耳、10皮秒的超强拍瓦点火激光转化成兆电子伏特的电子束，电子束在高密度等离子体中传输百微米的距离后，到达预压缩聚变靶丸的中心区域，加热此区域从而实现点火。

图源：来自于网络

ICF实验研究的对象是由高功率激光与各种结构的微型靶相互作用产生的高温高密度等离子体。等离子体诊断系统的主要功能是通过测量来自靶等离子体的辐射和高能粒子的时空与能谱特性，分析诊断流体状态和能量流的时空演化特性。衍射光栅也被用来测量激光等离子体辐射的各种光谱，借以分析和描述激光等离子体的各种行为。由光栅压缩形成的高能超短脉冲拍瓦光束是内爆靶丸压缩状态的背光照相诊断、点火装置高能透视照相中的必备条件，在中高Z靶丸内爆、高能量密度物理实验等方面也有重要应用。

基于透射衍射光栅的软X射线透射光栅谱仪是激光聚变研究的重要诊断设备之一，它可以提供对ICF至关重要的黑腔辐射的高分辨X射线谱。基于变间距光栅的掠入射平场光栅谱仪是软X射线波段光谱测量的重要仪器，在工作波段内具有平直的光谱面，适合用光电探测器对光谱做时间或者空间的分辨测量。

图源：部分来自于网络

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