光柵（grating）是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學元件，它能將入射光的振幅和或相位進行空間周期性調制從而實現分光。精制的光柵，在1cm寬度內刻有幾千條乃至上萬條刻痕。這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，這種光柵稱為反射光柵。單色平行光通過光柵每個縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細的圖樣，這些銳細而明亮的條紋稱作譜線。與棱鏡相比，光柵分光具有光譜范圍寬、角色散率大且色散線性、光譜分辨率高等特點。光柵由空間頻率、對比度、方向和空間相位四個參數所決定。光柵的柵距分別為透光和不透光條紋的寬度，柵距越小精度越高；光柵的狹縫數量很大，一般每毫米幾十至幾千條。
1786年，美國天文學家黎敦豪斯（Rittenhouse）首次在費城進行了光柵實驗，他使用平行的50至60根細金屬絲制成12.7mm寬的衍射光柵。1823年，約瑟夫·馮·夫瑯和費（Fraunhofer）通過光柵衍射實驗，證實了光的波動學說，提出了平面光柵原理并推導了光柵方程式。1867年，歐內斯特·盧瑟福（Rutherfurd）設計了以水輪機為動力的刻劃機，制作出當時最優質的光柵；1870年，他在50mm寬的反射鏡上用金剛石刻刀刻劃了3500條刻槽，制作了人類歷史上首塊分辨率和棱鏡相當的光柵。1882年，羅蘭（Rowland）成功制作了凹面光柵，推動了光譜學的發展。
光柵按不同的特性有不同的分類方法，例如按光柵的材料分為玻璃透射光柵和金屬反射光柵，按使用衍射光的方向分為透射光柵和反射光柵，按面形分為平面光柵和凹面光柵，按制作方法分為機刻光柵、全息光柵、全息-離子蝕刻光柵、母光柵、復制光柵等；按入射光波長與光柵周期尺度相對關系分為亞波長光柵、共振域光柵及常規光柵。光柵基本性質有色散、分束、偏振和相位匹配，它的原理有莫列波紋形成原理，分光原理以及衍射光柵原理等。
光柵技術在精密測量、光纖通信和光柵傳感等方面都有著重要的應用。由于光柵具有測量準確度高等優點，因此在精密機床和儀器的精確定位，以及長度、振動和加速度的測量中得到廣泛應用；在光纖通信領域，利用光纖光柵的不同折射率調制及光譜特性，可以實現多種特殊功能；長周期光纖光柵的有效折射率受纖芯和環境層折射率影響，可廣泛應用于環境污染監測、濃度傳感、生物傳感和化學傳感等領域。
定義
光柵是由大量等節距的透光與不透光刻線相間排列構成的柵形光學器件，具備調控光傳播方向的功能。光柵的柵距，分別為透光和不透光條紋的寬度，通常以；光柵的精度越高，柵距就越小；一般柵距可由刻線密度算出，刻線密度常為25、50、100、250條／mm幾種。
歷史
1786年，杰拉德·華萊士天文學家李敦豪斯（Rittenhouse）曾用平行的50至60根細金屬絲制成12.7mm寬的衍射光柵，并在費城第一次做了光柵實驗。
1814年，約瑟夫·馮·夫瑯和費（Fraunhofer）用自己改進的分光系統，發現并研究了太陽光譜中的暗線（現稱為夫瑯禾費譜線），利用衍射原理測出了它們的波長；1821年，夫瑯和費為了觀測太陽光譜，用低碳鋼絲制造了衍射光柵；1823年，他通過光柵衍射實驗，證實了光的波動學說，提出平面光柵原理，并且導出了光柵方程式，他還探討了刻劃光柵周期誤差，槽形和不透光區與透光區的相對寬度的光譜效應。
1850年，儀器制造商諾貝爾特（F．A.Nobrt）制成了精密的玻璃光柵，光譜學家埃格斯特朗藉此測繪學出了詳細的太陽光譜圖。1863年，美國人拉瑟佛（L．M.Rutherfurd）設計了精密劃線機，在青銅做成的基片上，每英寸寬可以刻劃3萬條線。
1867年，歐內斯特·盧瑟福（Rutherfurd）設計了以水輪機為動力的刻劃機，制作出當時最好的光柵；1870年，他在50mm寬的反射鏡上用敖歌刻刀刻劃了3500條刻槽，制作了人類歷史上第一塊分辨率和棱鏡相當的光柵；1877年他制作出了680線/mm的光柵。19世紀80年代，羅蘭（Rowland）為了系統地測量光譜線的波長，致力于凹面光柵的研制工作。為了制作高分辨率的凹面光柵，他研制了一種十分精密的驅動尾旋控制器，利用這一裝置，他能在面積僅為25平方英寸（約0.016平方米）的金屬板上刻出45000條細縫，使衍射光柵的分辨率得到空前提高，這為光譜的測定和分析提供了精密的儀器，極大地推動了光譜學的發展。他獲得的太陽光譜波長表包括上萬條太陽譜線，成為太陽光譜研究的參考標準。
1896年荷蘭物理學家塞曼用凹面光柵發現了光譜的異常分裂（塞曼效應）；進入20世紀，錢德拉塞卡拉·拉曼將凹面光柵應用到紫外區，發展了紫外光譜分析方法，由此發現了一系列光譜系，對了解原子結構和證實原子理論提供了重要依據。甚至到了1931年，哈羅德·尤里發現氫的重同位素——所用的光譜儀器還是羅蘭的凹面光柵。
1948年，蓋伯（Gabor）發現了全息光學原理，隨著六十年代激光技術的發展，出現了用記錄激光干涉條紋制作光柵的技術，發展了所謂“全息光柵”。這種光柵在1967年制成，現在已大批生產和廣泛應用。
分類
光柵的種類繁多，按不同的特性有不同的分類方法。
按入射光波長與光柵周期尺度相對關系分類
按入射光波長與光柵周期尺度相對關系分為亞波長光柵、共振域光柵及常規光柵。當光柵周期遠小于入射光波長，則稱之為亞波長光柵，這里，為入射光波長，為光柵周期；當光柵周期遠大于入射光波長，則稱為常規光柵；而當光柵周期與入射光波長接近則稱為共振域光柵。光柵處于共振域通常。
按調制方式分類
按調制方式分為相位光柵和振幅光柵。相位光柵和振幅光柵的稱謂來源于經典的標量光柵理論，這種理論認為相位（振幅）光柵對單射光波的作用只表現為對經光柵反射和透射后的光波的相位（振幅）按照光柵的復數反射率和透射率分別加以調制。
按折射率調制位置分類
按折射率調制位置分為浮雕光柵和體光柵。體光柵是靠光柵材料體內折射率的周期性變化衍射光的，而浮雕光柵靠的是均勻材料的表面輪廓的周期性變化。因為體光柵的折射率調制非常小，而且折射率的分布是連續的，所以相對于浮雕光柵而言，其數學模擬要容易得多，但從使用角度來說，浮雕光柵比體光柵更耐用，更能抵御環境的變化，因而應用更廣泛。
按光柵的材料分為玻璃透射光柵和金屬反射光柵；
按使用衍射光的方向分為透射光柵和反射光柵；
按光柵周期性分為周期光柵和準周期光柵；按面形分為平面光柵和凹面光柵；
按制作方法分為機刻光柵、全息光柵、全息-離子蝕刻光柵、母光柵、復制光柵等；
按使用波長分為紅外光柵、可見光柵、X射線光柵；
按應用領域分為光譜光柵、測量光柵、脈沖壓縮光柵、激光光柵等。
基本參數
空間頻率
空間頻率指的是在視網膜上給定距離內成像的條紋對數，用來表示空間頻率的單位是落在一個視角范圍內的周期數（每個周期是一個暗條和一個亮條）。高空間頻率的光柵在每個可視角度內都有許多周期——包含窄條。低空間頻率的光柵在每個可視角度內有很多周期——包含寬條。由于空間頻率是根據視角來定義的，因此光柵的空間頻率隨觀看距離的變化而變化。隨著這個距離的減小，每條線投射的圖像都變大了；因此，光柵的空間頻率隨距離的減小而減小。
對比度
對比度與光柵明暗條之間的強度差有關，如果這種差異很大，則光柵的對比度高；差別小意味著對比度低。如果對比度足夠低，光柵的條紋甚至可能不可見。在這種情況下，光柵對比度被稱為“對比閾”，在數量上，在明暗條的強度之間的對比度從0%開始（當沒有差異時）到100%（當淺色和深色條之間的差異最大時）。
方向
方向是指光柵的傾斜度：垂直、水平、傾斜。分光計中的光柵傾斜度的調節如下圖所示，將光柵放置在分光計平臺中央，使平臺上螺絲、的連線與光柵面垂直，則光柵的傾斜度可由或螺絲調節。
空間相位
空間相位是指光柵輪廓相對于某個參考位置的位置，也可以說一個光柵是一個暗條，一個亮條，或者介于兩者之間的東西。它通常以弧度（rad）為單位測量。
原理
莫爾條紋形成原理
常見光柵工作原理都是根據莫爾條紋的形成原理進行工作的。當指示光柵上的線紋與表尺光柵上的線紋成角度放置時，必然會造成兩光柵尺上的線紋相互交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區域內黑線重疊，透明區域變大。因而遮光面積最小，擋光效應最弱，透光的累積使這個區域出現亮帶。相反地，離交叉點越遠的區域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線所占據的空間增多。因而遮光面積增大，擋光效應增強，只有較少的光線透過光柵而使這個區域出現暗帶。這些與光柵線紋近似于垂直的相間出現的亮、暗帶就是莫列波紋。
莫爾條紋特性
分光原理
光柵方程：。
其中：為入射角，即入射光束與光柵法線所成的角度，永遠取正值；為衍射角，即衍射光束與光柵法線所成的角度，如和都在光柵法線同一側，則為正值，如在法線另一側，則為負值；為相鄰兩刻線間的距離，一般稱為光柵常數；為衍射光的波長；為光譜級，簡稱譜級。
由光柵方程可見，對于給定光柵常數的光柵，當用復色光照射時，除零級衍射光外，不同波長的同一級衍射光不重合，即發生色散現象，這就是衍射光柵的分光原理。對應于不同波長的各級亮線稱為光柵譜線，不同波長光柵譜線的分開程度隨著衍射級次的增大而增大，對于同一衍射級次而言，波長大者，大，波長小者，小。白光按給定的入射角入射至光柵，當時，對應著零級光譜，此時，，即，所有波長的光都混在一起，仍為白光，這就是零級譜的特點。零級譜的兩邊均有的光譜：當時，稱為正級光譜；當時，稱為負級光譜。每塊光柵在給定時，對應的是最大光譜級，其級數為。
衍射光柵原理
當平面光波垂直單射到光柵平面上時，光柵的每一條縫都將產生單縫衍射作用；又由于各條縫發出的光來自同一波陣面，因此它們是相干光，將發生多縫干涉，光柵衍射就是單縫衍射和多縫干涉（縫間干涉）共同作用的結果。
單縫衍射
光柵中每條縫單獨衍射，衍射工程圖形狀相同且分布于屏的同樣位置上。因為單縫衍射圖樣的形狀大小僅決定于縫寬與透鏡的焦距，它的中心位置總處于透鏡的主光軸上。但每條縫的衍射光到達屏上的同一點時的周相，卻因各縫的位置不同而各不相同。因此，各縫衍射光之間的干涉必將引起單縫衍射圖樣的變化。
多縫干涉
把每條縫的衍射光按衍射角不同分解成一組組平行光線，凡是有相同衍射角的衍射光都將會聚于屏上同一點，并產生干涉。如果相鄰兩縫上衍射角為伊的對應衍射光線（指它們的子波波源在縫中所處的位置相同的光線），滿足干涉加強條件，即，則任意兩條縫的對應衍射光線（衍射角為）也必將滿足加強條件，因為它們的光程差都是上式所示的光程差的整數倍。因而，所有衍射角為的衍射光在屏上相遇時的光振動均同相，相互加強，形成強度很大的明條紋。
由于光柵中狹縫是很窄的，所以單縫衍射的明條紋擴展得很寬。多縫干涉將在單縫衍射的明條紋中產生暗條紋。光柵狹縫數日愈多，產生暗條紋的機會也愈多，所以暗區擴大，而明條紋則變細、變亮。
基本性質
色散
在均勻媒質中光線是直線傳播的。當光從第一種媒質射到兩種媒質的分界面上時，進入第二種媒質的光要偏離原來的方向，產生折射。折射程度與媒質的折射率有關，而又隨波長而變。正是由于這個原因，當一束包含各種波長的白光通過棱鏡時，出射的光便按波長的長短（顏色）分散開來，這種現象稱為色散。
現在更常用的色散元件是光柵。反射式平面衍射光柵是刻有許多等距的平面劃痕的反射平面鏡。劃痕的間距稱為光柵常數，稱為光柵的劃痕密度。是光柵平面的法線，是溝槽面的法線，是入射角，是衍射角，是閃耀角。
根據角色散率公式，得出以下結論：
分束
光柵的分束特性是指光柵能夠將一束單射單色光分成多束出射光的本領。應用領域有光互連、光耦合、均勻照明、光通訊、光計算等。其性能評價指標有衍射效率、分束比、壓縮比、光斑非均勻性以及光斑模式等。目前較常用的光柵分束器有Dammann光柵分束器、Tablot光柵分束器、相息光柵分束器、波導光柵分束器等。另外，位相型菲涅耳透鏡陣列分束器、透鏡分束器等透鏡型的分束器也是相當常用的。
偏振
在標量領域范圍內，光柵的偏振特性往往被忽略，因此，光柵的偏振性在以前不被人所知。但是理論和實驗都證明，一塊設計合理、制作優良的光柵可以被用來做偏振器、波片和位相伸縮節等。
相位匹配
光柵的相位匹配性質是指光柵具有的將兩個傳播常數不同的波禍合起來的本領。最明顯的例子是光柵波導股份禍合器，它能將一束在自由空間傳播的光束耦合到光波導中。根據瑞利展開式，一束平面波照射在光柵上會產生無窮多的衍射平面波，相鄰衍射波的波矢沿方向的投影之間的距離是個常數，等于光柵的波矢。
應用
精密測量
由于光柵具有測量準確度高等優點，因此在精密機床和儀器的精確定位，以及長度、振動和加速度的測量中得到廣泛應用。例如光柵GC2，它在量具、數控機床的閉環反饋控制、工作母機的坐標測量等方面都起著重要作用。光柵傳感器通常作為測量元件應用于機床定位、長度和角度的計量儀器中，并用于測量速度、加速度、振動等。
光纖通信
利用光纖光柵的各種不同折射率調制及光譜特性，光纖光柵在光纖通信中可實現許多特殊的功能，如：在光的發射端用于外腔光纖激光器；傳輸段用于光纖放大器的增益平坦；接收端用于色散補償器、解復用器、光的上下路器等等。例如外腔光纖激光器，它是光纖通信系統中一種很有前途的光源。它是利用均勻光纖光柵來選擇出射光的波長。
光柵傳感
長周期光纖光柵包層模式的有效折射率不僅與纖芯的折射率有關，還與環境層的折射率有關。環境層折射率的改變會引起光柵包層模式的有效折射率的變化，進而導致諧振波長的漂移。長周期光纖光柵的這一特點使得它在環境污染監測，濃度傳感，生物傳感，化學傳感方面有著潛在的廣泛應用。
參考資料 >
術語在線.術語在線.2024-03-12
spatial frequency, contrast, orientation,.視覺感知的喜悅.2024-03-28