光学笔记

光栅

一维光栅

• 定义：一维光栅具有单一方向的周期性结构，通常表现为一系列平行的线条或条纹。在光栅的平面上，这些条纹仅在一个方向上具有周期性，而在垂直方向上没有周期性。
• 结构：典型的结构包括均匀间隔的平行条纹、狭缝或凹槽。光栅常见的参数包括条纹的间距、深度和宽度。
• 衍射特性：由于仅在一个方向上具有周期性，一维光栅的衍射通常只在一个平面内发生（例如，沿条纹方向的垂直平面），使得入射光被分成不同的衍射角度。
• 应用：一维光栅广泛用于光谱分析、激光器调谐和光通信系统中，用来分光和改变光束的方向。它们可以根据不同波长的光产生特定的衍射角度，从而实现波长分离。

二维光栅

• 定义：二维光栅具有在两个正交(垂直或互相成 90 度角)方向上均呈现周期性分布的结构，形成类似网格或点阵的结构。光栅在两个方向上都可以引起光的衍射。
• 结构：二维光栅常表现为方形或六边形的网格、点阵、孔阵等。两个方向上的周期和形状可以相同，也可以不同，以满足特定的光学需求。
• 衍射特性：二维光栅可以在两个方向上同时引起衍射，这意味着入射光会在二维平面上被分散。它们能产生更复杂的衍射图样，使光线分散到不同的方向上。二维光栅可以使光的分离更有效，适合在更复杂的光学系统中使用。
• 应用：二维光栅常用于显微成像、3D 显示、衍射仪、光学数据存储、全息影像等领域，用于生成特定的光学图案、增强显微成像效果或实现空间上的多角度波长分离。

一维、二维光栅的区别

• 周期性方向：一维光栅只有一个方向上的周期性，而二维光栅则在两个方向上都有周期性。
• 衍射图样：一维光栅的衍射图样通常是一维的（如一条或多条衍射线），而二维光栅的衍射图样更为复杂，通常是二维点阵或网格。
• 应用领域：一维光栅更常用于光谱分离和方向控制，而二维光栅则更常用于生成复杂光学图样、增强空间光学系统中的成像效果等。

衍射级数

衍射级数表示光在通过光栅后相对于入射光束的偏转情况。

0级衍射（零级衍射）：

• 指光在通过光栅后没有发生方向变化，继续沿着入射光方向传播。即对应的是没有衍射的情况，光只通过光栅而不发生任何偏转。
• 通常0级衍射光的强度较大，但没有光谱分离能力，所以在光谱分析中不具备作用。
• 0级衍射不带频域信息。
• 0级是我们不想要的，会把它遮挡掉。正负一级的光会移动物体的频谱，将原先无法获得的高频信息移到通带以低频强度表示出来，通过算法再移频回到正确的位置从而获得高分辨率。

+1级衍射和-1级衍射：

• +1级和-1级衍射是光栅在两侧方向上产生的衍射模式。
• +1级衍射表示光在通过光栅后向一个特定方向偏转，偏转角与入射光方向成正角度。
• -1级衍射则表示光偏转到与+1级相反的方向，偏转角为负。
• 这些级次的衍射能够分离不同波长的光，即同一入射角度下，不同波长的光会以不同的角度偏转出来。

样品

一维样品

一维样品通常是指在某个方向上具有显著变化的样品，而在其他方向上的变化可以忽略不计。典型的一维样品包括：

• 纳米线：在长度方向上很长，但宽度和厚度很小，因此可以看作是一维结构。
• 光纤：具有很长的长度，横截面较小，通常用作传输光信号。
• 电路导线：长度比宽度和厚度大很多，可以被近似为一维导体。
• 在数据科学中，一维数据可以指只有一个变量的时间序列，例如股价时间序列。

二维样品

二维样品通常是指在两个方向上具有显著变化的样品，而在第三个方向上的变化较小或可以忽略。例如：

• 薄膜：具有长和宽的平面结构，而厚度非常薄，比如在纳米或微米量级，因此可以看作是二维结构。
• 平面图案：如纸张上的印刷电路板（PCB），其在两个维度（长和宽）上展现显著结构，而厚度可忽略不计。
• 图像：在图像处理中，图像数据通常是二维的，因为它由宽和高组成的像素点表示。
• 在数据科学和机器学习中，二维数据通常可以表示为矩阵或二维数组，例如灰度图像、二维坐标数据等。

两者的区别

一根纳米线可以被视为一维结构，当许多纳米线交错在一起形成一个结构时，这种集合通常会成为一个二维样品，甚至可能被视为三维样品。

杨氏双缝干涉