全息光栅术语(LIDT,基材膨胀系数, Littrow配置和色散等)解释与分析，瑞典Spectrogon

衍射光栅是光谱仪、单色仪以及各类激光系统中的关键光学元件，其性能指标对整套光学系统的表现起着决定性作用。为了更准确地理解和应用光栅技术，有必要对相关的核心术语进行统一和规范的说明。本文基于Spectrogon公司的官方技术资料，对全息光栅常用的重要参数进行系统梳理与说明，包括衍射效率、色散能力、激光损伤阈值等关键指标，力求以清晰、专业的表述帮助工程设计与技术交流，提升光栅选型与应用的准确性。

偏振（Polarisation）：

衍射光栅的效率通常随偏振状态而变化。因此，必须确定偏振状态。TM偏振（指电场矢量垂直于光栅刻槽）对应于P偏振。TE偏振（指电场矢量平行于光栅刻槽）对应于S偏振。(TM+TE)/2表示非偏振光。

正弦光栅（Sinusoidal gratings）：

标准类型的全息制造衍射光栅具有正弦波形刻槽轮廓。其效率曲线相当平滑，且比刻划光栅更平坦。通过改变刻槽深度，可以针对特定光谱区域优化效率；即使对于高刻线密度的光栅，其效率仍然可以很高。当刻槽间距小于波长的约1.25倍时，只存在-1级和0级衍射。如果光栅具有合适的刻槽深度，大部分衍射光会进入-1级。在此区域，全息光栅的绝对效率远高于50%。

杂散光（Stray Light）：

当工作在光学仪器的探测极限时，光栅及其他光学元件产生的杂散光将成为探测的最终限制因素。全息衍射光栅也存在杂散光源，并且由于所使用的制造工艺不同，不同全息光栅的杂散光水平可能存在显著差异。全息衍射光栅的杂散光水平远低于刻划光栅；尽管如此，Spectrogon公司仍能进一步改进全息工艺。与普通全息衍射光栅相比，Spectrogon光栅的杂散光水平低约十倍，这在双光谱仪中意味着光谱纯度提高了100倍。

光栅术语总结与光栅常规指标：

入射角(AOI)：

入射光与光栅法线之间的夹角(α°)。

激光损伤阈值（Laser Induced Damage Threshold，LIDT）：

其定义为导致永久性表面变化的阈值，以J/cm²或W/cm²表示，并取决于脉冲能量、脉冲持续时间、重复频率、波长和光束轮廓（强度分布）等因素。这些因素因具体设置而不同，Spectrogon无法给出针对客户具体情况的LIDT激光损伤阈值。对于800-1100nm波段的纳秒脉冲，预期损伤阈值>2.3J/cm²(50Hz,10ns)。对于800-1100nm波段的飞秒脉冲，预期LIDT激光损伤阈值>0.3J/cm²(50Hz,100fs)。

偏转角（Deviation angle）：

入射光a与-1级衍射光β之间的角度θ。(θ°=|α°-β°|,)，其中β°为衍射角。也称为夹角(Include angle)。当偏转角为0°时，光栅处于利特罗(Littrow)配置状态，此时的入射角(AOI)称为利特罗角。

衍射级次（Diffraction order）：

在大多数应用中，通常只使用一个衍射级次，并且希望所有衍射光都进入该级次，从而对所有波长实现100%的绝对效率。m=-1的衍射级次通常是单色仪、光谱仪和中通常使用的级次。请使Spectrogon光栅设计工具来尽量减少不必要的衍射级次和能量损失。

色散（Dispersion）：

角色散率是指单位波长变化引起的衍射角变化量，它是衡量相邻波长光束之间角分离程度的指标。要实现高色散，可以选择具有高刻线密度的光栅，或者在高阶衍射下使用刻线较粗的光栅。通常，由于具有更大的自由光谱范围，会优先选择细间距的光栅。

效率（Efficiency）：

绝对效率定义为入射光通量中衍射到某一特定衍射阶数（通常为-1阶）的部分。光栅常规指标效率通常以特定偏振态和衍射阶数的百分比绝对效率表示：

TM/-1表示TM偏振光在-1阶衍射下的百分比效率。

TE/-1表示TE偏振光在-1阶衍射下的百分比效率。

(TM+TE)/2,-1表示(avg polarisation)非偏振光在-1阶衍射下的百分比效率。

相对效率与镀有和光栅相同材料的反射镜的反射率相关，需注意相对效率总是高于绝对效率。Spectrogon光栅使用绝对效率指标。

利特罗配置（Littrow configuration）：

光栅的安装方式使得所需波长的光沿入射光束方向衍射回来，并通过旋转光栅来扫描波长。通常，会使用一个腔内消色差透镜来扩大激光光束，使其覆盖光栅上相对较大的区域。零级衍射束可用作输出激光束；然而，这种配置的一个缺点是，当光栅旋转时，输出光束的方向会发生变化。

掠射入射（Grazing incidence）：

光栅固定在高入射角的位置，通过旋转一个特殊的调谐镜来调整波长。这种配置不需要光束扩束透镜，因此可以使用更小的光栅。然而，高入射角意味着光栅的刻划宽度必须显著大于光栅刻槽的长度。

光栅基底材料的热膨胀系数(α)：

Pyrex是康宁公司（Corning Inc）的注册商标。

Zerodur是肖特玻璃科技公司（Schott Glass Technologies）的注册商标。

理解上述光栅术语是进行光栅选型、光学系统设计和性能优化的第一步。光栅术语总结的参数相互关联，共同决定了光栅在特定应用场景下的适用性。建议在实际项目中，结合具体需求，参考Spectrogon等供应商提供的详细规格数据及光栅设计工具，以做出最佳技术决策。