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Hitachi

日立高新技术在中国

Diffraction Grating Technology Supporting Hitachi Spectrophotometers

 衍射光栅覆盖了从软X射线到远红外的各种波长,扩展了光谱仪中光学元件的应用领域。日立的衍射光栅在全球多个领域获得了高度评价。比如日本的国立基础生物学研究所的冈崎教授使用90cm*90cm的衍射光栅(刻有36条15cm*15cm的光栅格子)实现了一种人造彩虹,其强度是赤道处太阳光的20倍。此外,美国宇航局发射的探测卫星的极紫外分光光度计采用了日立变间距平面和凹面衍射光栅。

1. 衍射光栅的原理

图1衍射光栅衍射的过程
图1衍射光栅衍射的过程

 衍射光栅是各种光学仪器的核心部件,是一种色散元件,可以将混合了不同波长的光(白光)分成单个波长的光(单色光)。其原理是根据衍射现象将入射处的白光分成不同波长的光,因此单色器中常用光栅作为色散元件。在单色器中,夹缝通常设置在光栅后面,选取特定波长的单色光。在凹面衍射光栅中,一般每毫米有几百或几千个凹槽,如图2所示。

图2 凹面衍射光栅
图2 凹面衍射光栅

2. 光栅刻划机

 光栅机刻技术是世界上一种罕见的技术之一,使用机刻光栅能够制造出高质量的单色器。
 日立优异的衍射光栅刻制技术,能够将光栅刻槽精确到nm级别。光栅刻划机一般使用金刚石刀具,这样制作的光栅衍射效率高,同时凹槽设计具有像差校正功能。

3. 平面反射衍射光栅

 日立卓越的精密加工技术与激光干涉测量相结合,可以获得纳米级的激光刻凹槽阵列。通过金刚石工具的抛光工艺形成的光栅槽面比用蒸镀法制作的金属光栅更好,光滑的光栅槽面有着杰出的镜面反射效果。利用扫描电子显微镜可以观察到清晰的钎焊角和规则的沟槽间距。这样的衍射光栅具有低杂散光,而且在可见/紫外,还有软x射线/真空紫外区有着更高的衍射效率。

4. 凹面聚焦光栅

 图3为汞的亮线光谱。使用不同衍射光栅获得了不同的谱线。按照常规方法,在垂直方向上对入射处的光谱进行线性扩展,图像在一点处形成,具有柱条的形状。

图3 汞的亮线光谱
图3 汞的亮线光谱

5. 应用实例

图4 不同的应用光栅
图4 不同的应用光栅

①是日本国立基础生物研究所大型光谱仪上的衍射光栅,共有36条15*15cm的光栅格子。冈崎教授使用该光栅分散超高输出灯的光,获得强度是太阳光20倍的人造彩虹,来研究单色光下生物体的状态。

②这是美国宇航局发射的极紫外探测器卫星所用的衍射光栅。它被用于天体辐射紫外线的天文观测。

③是凹面衍射光栅,将其用于荧光分光光度计中,可获得检测荧光的最高灵敏度。

④是凹面衍射光栅,将其用于原子吸收分光光度计中,可以分析食品和水中的微量元素。

⑤是用于光纤通讯中的衍射光栅,在近红外区进行通讯。

⑥是极紫外分析中的衍射光栅,常用在分析极紫外(接近x射线区域)的特殊仪器中。

6. 总结

 日立开发的反射平面光栅和凹面光栅致力于满足前沿科学领域的需求,丰富的产品线能够适应多样化的实际应用。