阶梯光栅

物理名词

阶梯光栅（Echelle grating，来自法语échelle，阶梯）是一种刻线密度较低，但刻线的形状是针对高入射角，即高衍射阶数的衍射光栅。

简介

阶梯光栅（Echelle grating，来自法语échelle，阶梯）是一种刻线密度较低，但刻线的形状是针对高入射角，即高衍射阶数的衍射光栅。高衍射阶数可以使光谱发生进一步色散，从而为探测器提供更详细的特征。阶梯光栅和其他类型的衍射光栅一样使用于光谱仪与其他类似仪器。阶梯光栅最常用在高分辨率横向色散摄谱仪，尤其是太阳系外行星探测器上，例如高精度径向速度行星搜索器（HARPS）、印度物理研究实验室先进径向速度全天巡天（PARAS）等许多天文仪器。一般可分为大、中、小三种。一般而言，每毫米内刻10条线以下的叫大阶梯光栅。每毫米内刻10至400条线，称之为中阶梯光栅。400条以上的称之为小阶梯光栅。

发展历史

掠射角光栅的最早概念起源于1898年由阿尔伯特·迈克耳孙提出，并且该型光栅被称为“echelon”。然而，这概念并未实现，直到1923年才出现现代形式的阶梯光栅光谱仪；即高分辨率光栅以交叉低色散形式串联排列。这个配置是由长冈半太郎等人所发现，之后的设计都与长冈所提出的极为类似。

原理

和其他种衍射光栅一样的是，阶梯光栅在概念上同样是由许多宽度与所衍射光源的波长相近的狭缝所组成。垂直入射标准光栅的单一波长光线会在特定角度被衍射到中央零阶和连续的高阶区域，衍射程度取决于光栅密度与波长比和选择的阶数而定。各高阶衍射的分离角度单调递减且达到极为接近的程度，但低阶部分会完全分离。衍射图案的强度可以透过改变光栅倾斜角改变。反射光栅的部分（光栅孔被高反射率平面取代）可以倾斜以散射大部分光源到使用者需要的方向（以及特定衍射阶数）。对于多波长光源是可以实现的，但较高阶的长波长衍射光可能覆盖较短波长的较低一阶光线，这通常是使用者不想要发生的副作用。

然而，阶梯光栅的设计则是故意让较高阶衍射光线覆盖，并且闪烁状态被优化以应用在多个高阶衍射光重叠的状态。因为重叠光线无法直接应用，必须在光路上再垂直装设一个二次色散元件（光栅或棱镜）才能在光束路径上以按照阶数分开不同阶衍射光线或交叉分离。因此，产生的光谱会是一整条投影在特定成像面，包含不同波长，但有少数区域重叠的连续性多波段带状倾斜图案。正是这样的设计可克服宽波段高分辨率光谱设备成像问题。因此常用于极长的线性感测器阵列或者会产生强散焦像差等其他种类像差的光学系统使用。阶梯光栅让容易制造的二维感测器阵列是可行的，并因此减少了量测时间与增加效率。

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