衍射光栅原理解析：相位光栅的相位调制与振幅光栅的振幅调制，台阶型/锯齿型与矩形光栅成像差异对比

相位光栅（又称位相光栅）与振幅光栅（也称黑白光栅、矩形光栅）是衍射光栅的两大核心类别。相位光栅标准品多为透射式，借助相位调制实现高效率衍射分光；振幅光栅标准品以K9材质制成，精度±2μm，通过镀铬矩形结构调制振幅，广泛应用于机器视觉与图像处理。二者均采用光刻技术制作，在脉冲压缩、衍射分光、摩尔条纹等领域各具优势。

振幅光栅

振幅光栅（黑白光栅）的标准品由K9材质制成，通过镀铬矩形结构调制振幅。铬层具有很高的消光系数，能够有效阻挡光线通过，从而形成清晰的透光/不透光交替结构。光栅条纹的截面为标准矩形，透射率呈"0-1"二值化分布，因此也被形象地称为黑白光栅。

振幅光栅又称为黑白光栅或矩形光栅，其核心工作机制是对入射光波的振幅进行周期性调制。振幅光栅表面由周期性排列的透光与不透光条纹构成——黑色线条部分镀铬，不可透射光波；白色线条部分不镀铬，光波可以透射。由于振幅透射率呈矩形函数变化，因此也被称为矩形光栅。当入射光通过光栅时，只有透光缝的位置能够通过，光的振幅在空间上被周期性地"切割"为矩形分布，由此产生多缝干涉衍射效应，将入射光按波长分散到不同级次的衍射方向上。

黑白光栅为透射光栅，其衍射级次分布由矩形透射函数决定，零级占有较大能量比例，高级次衍射效率相对较低。

我司振幅光栅的标准品型号范围为 MGGA-001 至 MGGA-026，共 26 个标准型号，线对数从 2 lp/mm 到 100 lp/mm，外形尺寸有 16×16mm、20×16mm、30×30mm、60×60mm 等多种规格，厚度为 2mm，能够满足不同应用场景的尺寸需求。

定制可用K9，石英，苏打板，BK7等材料，精度±2μm，周期10~250μm，线宽5~25μm，外形尺寸可做16~60mm边长不等。

同时我司的振幅光栅在定制方面有深厚的能力，有需求的用户可随时联系我们，我们将根据您的需求为您定制合适产品。

图1：黑白光栅示意图

这两种衍射光栅均采用光刻技术制作，在脉冲压缩、衍射分光、摩尔条纹等领域各有优势。

振幅光栅的制作相对简洁，核心是在材料表面形成镀铬的矩形光栅条纹。主要步骤包括基底清洗，镀铬，涂胶与曝光，显影与刻蚀，去胶，检测等。

而相位光栅的制作工艺更为复杂，需要通过光刻技术精确控制刻蚀深度以实现目标相位调制量，而主要步骤除镀铬外与振幅光栅大致相同。对于锯齿型（闪耀）相位光栅，还需要使用全息曝光或金刚石车削等特殊工艺来制备连续的锯齿形剖面，工艺难度更高。

相位光栅

相位光栅的工作机制是对入射光波的相位进行周期性调制，而振幅保持不变。当光波通过相位光栅后，由于光栅表面不同位置的光学厚度存在周期性差异（通过刻蚀深度变化实现），光波经过不同位置时产生不同的光程差，从而导致相位的周期性变化。这种相位调制同样会改变光的衍射特性，使透射或反射光束衍射成多个不同级次。

位相光栅的优势在于不吸收光能量（不像振幅光栅的不透光部分将能量损耗掉），因此衍射效率显著高于振幅光栅。相位光栅按剖面形状可分为锯齿型（闪耀光栅）和台阶型（二元光学相位光栅）两类：锯齿型相位光栅通过连续倾斜的锯齿结构将能量集中到某一特定衍射级次（闪耀级），实现极高的衍射效率；台阶型相位光栅则通过离散的台阶结构近似连续相位分布，实现多光束分束或特定的衍射图案。

位相光栅采用熔融石英或硅作为基底材料，通过精密刻蚀在石英表面形成周期性的沟槽或凸起结构，从而引入相位调制。石英材料具有从深紫外到近红外的宽光谱透过范围，以及优异的热稳定性和化学稳定性，适合高功率激光和短波长应用。

相位光栅按结构剖面分为锯齿型相位光栅和台阶型相位光栅。按维数可分为一维光栅和二维光栅。按光栅的工作方式还可分为反射光栅和透射光栅。

我司相位光栅的标准品都是一维台阶型透射光栅，其他类光栅也可定制。

标准品型号范围为 MGGP-001 至 MGGP-008，线对数从 10 lp/mm 到 100 lp/mm，设计中心波长覆盖 0.65μm、0.808μm、0.98μm 等常用激光波长，外形尺寸有 10×10mm 和 20×20mm，厚度为 1mm。

相位光栅定制材质可采用石英或硅，含台阶型/锯齿型，也可做反射光栅，线宽精度±0.2μm、深度精度±5%，深度最深可定制15um，周期范围10-100μm，线宽5-50μm，外形尺寸可做范围大，详细数据可与我司联系。

图2：相位光栅结构示意图

上图为台阶型相位光栅，下图为锯齿形相位光栅

成像与光束质量差异

振幅光栅：衍射图样中含有较丰富的高级次，边缘清晰度高，适合需要清晰条纹投影的场景（如机器视觉中的结构光投影）。但能量分散、各衍射级光强不均匀。

相位光栅：闪耀型相位光栅的能量集中在目标级次，光束质量好、信噪比高，适合光谱分析和脉冲压缩等对效率要求高的场景。台阶型二值相位光栅（如 1:1 占空比）则可产生对称的多级衍射光斑，适合光束分束、点阵投影等应用。

两类光栅通过光刻技术制作，均适用于机器视觉，摩尔条纹，衍射分光，激光检测应用。

另外振幅光栅的黑白条纹结构能够产生高对比度的条纹投影，在结构光三维扫描、表面缺陷检测、光学编码等场景中，矩形透射函数产生的清晰条纹边界有利于图像识别和边缘提取。

脉冲压缩是相位光栅的核心高端应用。另外相位光栅（特别是金属膜反射式闪耀光栅和透射式体相位光栅 VPH）能够承受高功率激光并保持高效率，是超快激光系统的关键元件。光通信、光存储、光学成像等领域也广泛应用相位光栅。

两款衍射光栅均提供定制服务，欢迎来我司选购。