微型可编程衍射光栅的特性分析

　　近年来,衍射光栅在工业生产和科学技术的发展中起着越来越大的作用。它作为色散元件已经广泛应用于光谱分析,计量、无线电天文学、集成光学和光通信、信息处理等科研和生产中。但是目前,传统工艺制作的光栅都是固定的参数,不能根据需要实时改变其性能参数。因此,光栅在许多领域中的运用都受到了很大限制[1～3]。

　　随着MOEMS技术迅速发展,为设计和制作可以根据实时的需要改变其参数的光栅,即可编程衍射光栅,提供了可能性。由斯坦福大学的DavidBloom教授以及他的学生提出的基于MEMS技术的光栅光阀装置,可以被认为是早期的可编程衍射光栅模型[2]。美国Sandia国家实验室与Honeywell技术中心联合研制了用于遥感化学气体的可编程衍射光栅[3]。

　　虽然微型可编程衍射光栅可以根据各种不同工艺来设计结构,但是基本的工作原理都相同[2,3]。国内外的科研机构已经对微型可编程衍射光栅的光学性能做了很多的研究工作[4,5],但是对微型可编程衍射光栅各个参数变化对其衍射特性的影响没有深入涉及。本文利用光程差理论推导了微型可编程衍射光栅的光强公式,并对可编程光栅每个衍射单元包含的微梁数以及微梁高度的变化对其衍射特性的影响进行分析,最后利用MATLAB对微型可编程衍射光栅的衍射特性进行仿真验证。

　　1　衍射特性分析

　　1.1　微型可编程衍射光栅的工作原理

　　微型可编程衍射光栅的工作原理如图1所示。光栅主要由多个微梁单元组成,每个微梁都可以通过静电力被单独控制。光栅原始状态如图1(a)所示。通过编程的方法施加静电力,使得每个微梁在垂直方向上的位置发生改变,形成实际所需要的光栅结构。编程后的光栅结构如图1(b)所示。

　　1.2　微型可编程衍射光栅的特性分析

　　当每个光栅单元只包含一个微梁单元时,微型可编程衍射光栅就退化为普通光栅。这里不对其光强公式进行推导,接下来讨论每个光栅单元包含2个微梁单元的情况。图2是微型可编程衍射光栅上各点对入射光线光程的作用图。图中,2个微梁经过静电控制组成一个光栅衍射单元。由图可知,光栅面上从不同2点发出的衍射光线的光程差与它们之间的水平距离和垂直距离有关。因此,利用几何关系可以计算出经过可编程光栅作用后相邻微梁的衍射光的光程差r

　　r=d(sinβ- sinθ) +h(cosβ+ cosθ) (1)

　　式中,d为微梁单元的宽度(包括微梁的宽度和它们的间距),β为入射角,θ为衍射角,h为编程状态下的相邻微梁在垂直方向上的距离。

　　对应于波长为λ的衍射光的相位差则为