為商業(yè)用途制造的第一個衍射光柵是機械劃線的，通過用金剛石工具在施加到平面或凹面上的蒸發(fā)金屬的薄涂層上單獨拋光凹槽來制造。這種刻劃光柵的復制品被用于許多類型的激光器、光譜儀器和光纖通信設(shè)備。

刻劃機器

刻線衍射光柵生產(chǎn)中最重要的部件是被稱為刻線設(shè)備，在該設(shè)備上對母光柵進行刻線。這些設(shè)備中的每一個都產(chǎn)生具有非常低的羅蘭重影、高分辨率和高效率均勻性的光柵。

選定的金剛石，其晶體軸被定向以獲得最佳行為，用于形成光柵槽。刻線金剛石由熟練的金剛石工具制造商精心成型，以產(chǎn)生每個光柵所需的精確凹槽輪廓。在刻線過程中來回移動鉆石的支架必須將其位置保持在幾納米以上，刻線時間可能從一天持續(xù)到幾周。

The Michelson 設(shè)備

1947年，Bausch & Lomb從芝加哥大學獲得了其第一臺刻劃設(shè)備；這臺設(shè)備最初由邁克爾遜在1910年代設(shè)計，并由Gale重建。它經(jīng)過了進一步的改進，大大提高了性能，并連續(xù)生產(chǎn)出高達200 x 250毫米刻線區(qū)域高的質(zhì)量光柵。

邁克爾遜設(shè)備最初使用干涉儀系統(tǒng)來繪制導螺桿的誤差曲線，從中推導出合適的機械校正凸輪。1990年，該系統(tǒng)被基于激光干涉儀的數(shù)字計算機伺服控制系統(tǒng)所取代。邁克爾遜設(shè)備的不同尋常之處在于，它涵蓋了所有標尺設(shè)備中最寬的凹槽頻率范圍：它可以標尺粗至每毫米32個凹槽（g/mm）、細至5400 g/mm的光柵。

The Mann設(shè)備

第二臺刻線設(shè)備自1953年以來一直在生產(chǎn)光柵，最初由馬薩諸塞州林肯市的大衛(wèi)·W·曼公司建造。Bausch&Lomb按照麻省理工學院Harrison的技術(shù)為其配備了干涉控制系統(tǒng)。Mann設(shè)備可以對110 x 110毫米以下的區(qū)域進行刻線，幾乎沒有可檢測到的重影，分辨率接近理論。

雖然刻線設(shè)備的導螺桿被研磨到可達到的最高精度，但螺紋和軸承中始終存在殘余誤差，必須進行補償才能產(chǎn)生最高質(zhì)量的光柵。Mann設(shè)備配備了一個自動干涉儀伺服系統(tǒng)，當每個凹槽被規(guī)則化時，該系統(tǒng)會不斷地將光柵支架調(diào)整到正確的位置。實際上，伺服系統(tǒng)模擬了一個完美的螺絲。

The MIT 'B' 設(shè)備

第三臺刻線設(shè)備由Harrison建造，并于1968年遷至Rochester。它具有將平面光柵刻劃到有史以來最高精度的能力；這些光柵可以高達420mm寬，具有高達320mm長的凹槽（每毫米在20和1500之間）。它使用基于頻率穩(wěn)定激光器的雙干涉儀控制系統(tǒng)，不僅可以監(jiān)測工作臺的位置，還可以校正殘余偏航誤差。

該設(shè)備產(chǎn)生的光柵幾乎具有理論分辨率，實際上消除了羅蘭鬼影，并最大限度地減少了雜散光。它還能刻劃幾乎完美的階梯光柵，這是刻劃設(shè)備最苛刻的應用。

The MIT 'C' 設(shè)備

第四臺刻劃設(shè)備也由Harrison于20世紀60年代建造，并于20世紀70年代移交給亞利桑那州圖森市的天文學研究大學協(xié)會（AURA），在那里安裝它是為了支持Kitt Peak National Observatory。當時，使用集成電路技術(shù)將原來的控制系統(tǒng)升級為固態(tài)系統(tǒng)。1995年，該設(shè)備被 Richardson Gratings公司收購并轉(zhuǎn)移到該公司。開發(fā)了一種基于激光的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩個干涉儀進行平移和偏航校正。“C”設(shè)備的光柵架行程為813毫米，可以對凹槽長度為460毫米的光柵進行劃線；該設(shè)備具有高達400毫米x 600毫米的光柵，具有良好的波前和效率特性，與“B”設(shè)備的光柵相當。

母光柵是在精心挑選的幾種不同材料的退火良好的基板上劃線的。通常可在BK-7光學玻璃、特殊等級的熔融二氧化硅或特殊等級的肖特ZERODUR之間進行選擇。對于綠光，這些襯底的光學表面被拋光至接近λ/10，然后涂上反射膜（通常是鋁或金）。

在刻劃設(shè)備周圍的環(huán)境中，補償溫度和大氣壓力的變化尤其重要。對于小型刻劃設(shè)備，室溫必須保持在0.01°C以內(nèi)（對于大型設(shè)備，室溫保持在0.005°C以內(nèi)）。由于刻劃過程的干涉控制使用單色光，其波長對空氣折射率隨壓力波動的變化很敏感，因此大氣壓力必須由系統(tǒng)補償。2.5毫米汞柱（300帕）的壓力變化會導致百萬分之一波長的相應變化。如果干涉儀的光路接近零，則這種變化可以忽略不計，但在刻線過程中，隨著光路的增加，這種變化會變得顯著。如果這種影響得不到補償，則刻線設(shè)備的托架控制系統(tǒng)將對波長的這種變化做出反應，從而導致凹槽間距的變化，這種變化很容易傳遞到金剛石上。這可以通過將設(shè)備支座懸掛在彈簧上來實現(xiàn)，該彈簧隔離從2或3 Hz到大約60 Hz的頻率之間的振動，高于該頻率的振動幅度通常太小而不會對刻線母光柵質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

母光柵的實際刻劃是一個漫長、緩慢和艱難的過程。在刻劃開始之前，設(shè)備的設(shè)置需要高超的技巧和耐心。關(guān)鍵對準需要使用高功率干涉顯微鏡，或者使用電子顯微鏡來獲得更精細的凹槽。

在每次顯微鏡檢查后，重新調(diào)整金剛石，直到操作者確信凹槽形狀適合被劃線的特定光柵。這種艱苦的調(diào)整雖然耗時，但會產(chǎn)生非常“明亮”的光柵，幾乎所有衍射光能都集中在光譜的特定角度范圍內(nèi)。這種選擇性地將光集中在光譜的某一部分的能力是閃耀衍射光柵與所有其他光柵的區(qū)別。

成品母光柵經(jīng)過仔細測試，以確保其完全符合規(guī)范要求。為評估所有重要特性而進行的各種測試包括光譜分辨率、效率、羅蘭重影強度和表面精度。適當時使用波前干涉測量法。如果光柵符合所有規(guī)格，那么它將被用作我們復制光柵的母版。

可變線間距（VSL）光柵

一個多世紀以來，人們一直在努力保持連續(xù)凹槽之間的間距均勻，因為母光柵是刻劃的。在1893年的一篇論文中，Cornu意識到凹槽間距的變化改變了衍射波前的曲率。雖然周期性和隨機變化被認為會產(chǎn)生雜散光，但Cornu認識到光柵表面上凹槽間距的均勻變化會改變光譜焦點的位置，如果適當考慮，則不需要將其視為缺陷。他確定，如果在準直入射光中使用平面經(jīng)典光柵，其本身就沒有聚焦特性，如果在其凹槽間距中存在系統(tǒng)性的“誤差”，則該光柵將聚焦衍射光。他能夠通過繪制三個光柵來驗證這一點，這些光柵的凹槽位置被指定為隨著每個凹槽的繪制而變化。這種光柵，其中直平行凹槽的圖案在連續(xù)凹槽之間具有可變但明確定義的（盡管不是周期性的）間距，現(xiàn)在被稱為可變線空間（VLS）光柵。VLS光柵尚未在商業(yè)儀器中使用，但偶爾會在同步加速器光源的光譜系統(tǒng)中使用。

編輯：黃飛