光栅（grating ）是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件，它能将入射光的振幅和或相位进行空间 周期性 调制从而实现分光。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，这种光栅称为反射光栅，是各类精密光谱仪、单色仪以及天文光谱仪的常用元件。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。与 棱镜 相比，光栅通过相邻周期单元的干涉条件确定谱线方向，便于建立谱线位置与波长的对应关系，同时光栅分光还具有光谱范围宽、角色散率大且色散线性、光谱分辨率高等特点。 光栅由 空间频率 、 对比度 、方向和空间相位四个参数所决定。 光栅的栅距分别为透光和不透光条纹的宽度，栅距越小精度越高；光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。
1786年，美国天文学家黎敦豪斯（Rittenhouse）首次在 费城 进行了光栅实验，他使用平行的50至60根细金属丝制成12.7mm宽的衍射光栅。1823年， 约瑟夫·冯·夫琅和费 （Fraunhofer）通过光栅衍射实验，证实了光的波动学说，提出了平面光栅原理并推导了光栅方程式。 1867年， 欧内斯特·卢瑟福 （Rutherfurd）设计了以 水轮机 为动力的刻划机，制作出当时最优质的光栅；1870年，他在50mm宽的反射镜上用 金刚石 刻刀刻划了3500条刻槽，制作了人类历史上首块 分辨率 和 棱镜 相当的光栅。1882年，罗兰（Rowland）成功制作了凹面光栅，推动了 光谱学 的发展。
光栅按不同的特性有不同的分类方法，例如按光栅的材料分为玻璃透射光栅和金属反射光栅，按使用 衍射 光的方向分为透射光栅和反射光栅，按面形分为平面光栅和凹面光栅，按制作方法分为机刻光栅、全息光栅、全息-离子 蚀刻 光栅、母光栅、复制光栅等；按入射光波长与光栅周期尺度相对关系分为亚波长光栅、共振域光栅及常规光栅。 光栅基本性质有色散 、分束、偏振和 相位 匹配 ，它的原理有 莫列波纹 形成原理 ，分光原理 以及衍射光栅原理 等。
光栅技术在精密测量、光纤通信和光栅传感等方面都有着重要的应用。由于光栅具有测量准确度高等优点，因此在 精密机床 和仪器的精确定位，以及长度、振动和加速度的测量中得到广泛应用； 在光纤通信领域，利用 光纤光栅 的不同折射率调制及光谱特性，可以实现多种特殊功能； 长周期光纤光栅的有效折射率受 纤芯 和环境层折射率影响，可广泛应用于环境污染监测、浓度传感、生物传感和化学传感等领域。
定义
光栅是由大量等节距的透光与不透光刻线相间排列构成的栅形光学器件，具备调控光传播方向的功能。光栅的栅距 ， 分别为透光和不透光条纹的宽度，通常以 ；光栅的精度越高，栅距 就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度常为25、50、100、250条／mm几种。
历史
1786年， 杰拉德·华莱士 天文学家李敦豪斯（Rittenhouse）曾用平行的50至60根细金属丝制成12.7mm宽的衍射光栅，并在费城第一次做了光栅实验。
1814年， 约瑟夫·冯·夫琅和费 （Fraunhofer）用自己改进的分光系统，发现并研究了 太阳 光谱中的 暗线 （现称为夫琅禾费 谱线 ），利用 衍射 原理测出了它们的波长； 1821年，夫琅和费为了观测太阳光谱，用 低碳钢丝 制造了衍射光栅；1823年，他通过光栅衍射实验，证实了光的波动学说，提出平面光栅原理，并且导出了光栅方程式，他还探讨了刻划光栅周期误差，槽形和不透光区与透光区的相对宽度的光谱效应。
1850年，仪器制造商诺贝尔特（F．A.Nobrt）制成了精密的 玻璃 光栅，光谱学家埃格斯特朗藉此 测绘学 出了详细的 太阳 光谱图。1863年，美国人拉瑟佛（L．M.Rutherfurd）设计了精密划线机，在 青铜 做成的基片上，每英寸宽可以刻划3万条线。
1867年， 欧内斯特·卢瑟福 （Rutherfurd）设计了以 水轮机 为动力的刻划机，制作出当时最好的光栅；1870年，他在50mm宽的反射镜上用 敖歌 刻刀刻划了3500条刻槽，制作了人类历史上第一块 分辨率 和 棱镜 相当的光栅；1877年他制作出了680线/mm的光栅。19世纪80年代，美国物理学家罗兰（Rowland）为了系统地测量光谱线的波长，致力于凹面光栅的研制工作。为了制作高分辨率的凹面光栅，他研制了一种十分精密的驱动 尾旋 控制器，利用这一装置，他能在面积仅为25平方英寸（约0.016平方米）的金属板上刻出45000条细缝，使衍射光栅的分辨率得到空前提高，这为光谱的测定和分析提供了精密的仪器，极大地推动了 光谱学 的发展。他获得的 太阳 光谱波长表包括上万条太阳 谱线 ，成为太阳光谱研究的参考标准。
1896年 荷兰 物理学家塞曼用凹面光栅发现了光谱的异常分裂（ 塞曼效应 ）；进入20世纪， 钱德拉塞卡拉·拉曼 将凹面光栅应用到紫外区，发展了紫外 光谱分析 方法，由此发现了一系列光谱系，对了解 原子结构 和证实 原子理论 提供了重要依据。甚至到了1931年， 哈罗德·尤里 发现氢的重 同位素 —— 所用的光谱仪器还是罗兰的凹面光栅。
1948年， 盖伯 （Gabor）发现了全息光学原理，随着六十年代 激光 技术的发展，出现了用记录激光干涉条纹制作光栅的技术，发展了所谓“全息光栅”。这种光栅在1967年制成，现在已大批生产和广泛应用。
分类
光栅的种类繁多，按不同的特性有不同的分类方法。
按入射光波长与光栅周期尺度相对关系分类
按入射光波长与光栅周期尺度相对关系分为亚波长光栅、 共振 域光栅及常规光栅。当光栅周期远小于入射光波长，则称之为亚波长光栅 ，这里， 为入射光波长， 为光栅周期；当光栅周期远大于入射光波长，则称为常规光栅 ；而当光栅周期与入射光波长接近 则称为共振域光栅。光栅处于共振域通常 。
按调制方式分类
按调制方式分为 相位 光栅和 振幅 光栅。相位光栅和振幅光栅的称谓来源于经典的 标量 光栅理论，这种理论认为相位（振幅）光栅对 单射 光波的作用只表现为对经光栅反射和透射后的光波的相位（振幅）按照光栅的 复数 反射率 和透射率分别加以调制。
按 折射率 调制位置分类
按 折射率 调制位置分为 浮雕 光栅和体光栅。体光栅是靠光栅材料体内折射率的 周期性 变化 衍射 光的，而浮雕光栅靠的是均匀材料的表面轮廓的周期性变化。因为体光栅的折射率调制非常小，而且折射率的分布是连续的，所以相对于浮雕光栅而言，其数学模拟要容易得多，但从使用角度来说，浮雕光栅比体光栅更耐用，更能抵御环境的变化，因而应用更广泛。
按光栅的材料 分为 玻璃 透射光栅和金属反射光栅；
按使用衍射光的方向 分为透射光栅和反射光栅；
按光栅周期性 分为周期光栅和准周期光栅；按面形分为平面光栅和凹面光栅；
按槽形 分为三角形光栅、 正弦曲线 光栅、矩形光栅、 阶梯光栅 等；
按制作方法 分为机刻光栅、全息光栅、全息-离子 蚀刻 光栅、母光栅、复制光栅等；
按使用波长 分为红外光栅、可见光栅、X射线光栅；
按应用领域 分为 光谱 光栅、测量光栅、 脉冲 压缩光栅、 激光 光栅等。
基本参数
空间频率
空间频率指的是在视网膜上给定距离内成像的条纹 对数 ，用来表示空间频率的单位是落在一个视角范围内的周期数（每个周期是一个暗条和一个亮条）。高空间频率的光栅在每个可视角度内都有许多周期——包含窄条。低空间频率的光栅在每个可视角度内有很多周期——包含宽条。由于空间频率是根据视角来定义的，因此光栅的空间频率随观看距离的变化而变化。随着这个距离的减小，每条线投射的图像都变大了；因此，光栅的空间频率随距离的减小而减小。
对比度
对比度与光栅明暗条之间的强度差有关，如果这种差异很大，则光栅的对比度高；差别小意味着对比度低。如果对比度足够低，光栅的条纹甚至可能不可见。在这种情况下，光栅对比度被称为“对比阈” ，在数量上，在明暗条的强度之间的对比度从0%开始（当没有差异时）到100%（当浅色和深色条之间的差异最大时）。
方向
方向是指光栅的倾斜度：垂直、水平、倾斜。 分光计 中的光栅倾斜度的调节如下图所示，将光栅放置在分光计平台中央，使平台上螺丝 、 的连线与光栅面垂直，则光栅的倾斜度可由 或 螺丝调节。
空间相位
空间 相位 是指光栅轮廓相对于某个参考位置的位置，也可以说一个光栅是一个暗条，一个亮条，或者介于 两者之间 的东西。 它通常以弧度（rad）为单位测量。
原理
莫尔条纹形成原理
常见光栅工作原理都是根据莫尔条纹的形成原理进行工作的。当指示光栅上的线纹与 表尺 光栅上的线纹成角度 放置时，必然会造成两 光栅尺 上的线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大。因而遮光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反地，离 交叉点 越远的区域，两光栅不透明黑线的 重叠 部分越少，黑线所占据的空间增多。因而遮光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹近似于垂直的相间出现的亮、暗带就是 莫列波纹 。
莫尔条纹特性
分光原理
光栅 方程 ： 。
其中： 为 入射角 ，即 入射 光束与光栅 法线 所成的角度，永远取正值； 为 衍射 角，即衍射光束与光栅 法线 所成的角度，如 和 都在光栅法线同一侧，则 为正值，如 在法线另一侧，则为负值； 为相邻两刻线间的距离，一般称为光栅 常数 ； 为衍射光的波长； 为 光谱 级，简称谱级。
由光栅 方程 可见，对于给定光栅常数 的光栅，当用复色光照射时，除零级衍射光外，不同波长的同一级衍射光不重合，即发生色散现象，这就是衍射光栅的分光原理。对应于不同波长的各级 亮线 称为光栅 谱线 ，不同波长光栅谱线的分开程度随着 衍射 级次的增大而增大，对于同一衍射级次而言，波长大者， 大，波长小者， 小。白光按给定的 入射角 入射至光栅，当 时，对应着零级光谱，此时， ，即 ，所有波长的光都混在一起，仍为白光，这就是零级谱的特点。零级谱的两边均有 的 光谱 ：当 时，称为正级光谱；当 时，称为负级光谱。每块光栅在给定 时， 对应的是最大光谱级，其 级数 为 。
衍射光栅原理
当平面光波垂直 单射 到光栅平面上时，光栅的每一条缝都将产生单缝 衍射 作用；又由于各条缝发出的光来自同一 波阵面 ，因此它们是相干光，将发生多缝干涉，光栅衍射就是单缝衍射和多缝干涉（缝间干涉）共同作用的结果。
单缝衍射
光栅中每条缝单独衍射，衍射 工程图 形状相同且分布于屏的同样位置上。因为单缝衍射图样的形状大小仅决定于缝宽与 透镜 的 焦距 ，它的中心位置总处于透镜的主 光轴 上。但每条缝的衍射光到达屏上的同一点时的 周相 ，却因各缝的位置不同而各不相同。因此，各缝衍射光之间的干涉必将引起单缝衍射图样的变化。
多缝干涉
把每条缝的 衍射 光按衍射角不同分解成一组组平行光线，凡是有相同衍射角的衍射光都将会聚于屏上同一点，并产生干涉。如果相邻两缝上衍射角为伊的对应衍射光线（指它们的子波波源在缝中所处的位置相同的光线），满足干涉加强条件，即 ，则任意两条缝的对应衍射光线（衍射角为 ）也必将满足加强条件，因为它们的光程差都是上式所示的光程差的整数倍。因而，所有 衍射 角为 的衍射光在屏上相遇时的光振动均同相，相互加强，形成强度很大的明条纹。
由于光栅中狭缝是很窄的，所以单缝衍射的明条纹扩展得很宽。多缝干涉将在单缝衍射的明条纹中产生暗条纹。光栅狭缝数日愈多，产生暗条纹的机会也愈多，所以暗区扩大， 而明 条纹则变细、变亮。
基本性质
色散
在均匀媒质中光线是直线传播的。当光从第一种媒质射到两种媒质的分界面上时，进入第二种媒质的光要偏离原来的方向，产生折射。折射程度与媒质的 折射率 有关，而 又随波长而变。正是由于这个原因，当一束包含各种波长的 白光 通过 棱镜 时，出射的光便按波长的长短（颜色）分散开来，这种现象称为色散。
现在更常用的色散元件是光栅。反射式平面衍射光栅是刻有许多等距的平面划痕的反射 平面镜 。划痕的间距 称为光栅 常数 ， 称为光栅的划痕密度。 是光栅平面的 法线 ， 是沟槽面的法线， 是 入射角 ， 是 衍射 角， 是闪耀角。
根据角色散率公式 ，得出以下结论：
分束
光栅的分束特性是指光栅能够将一束 单射 单色光分成多束出射光的本领。应用领域 有光 互连、光耦合、均匀照明、光通讯、光计算等。其性能评价指标有衍射效率、分束比、压缩比、 光斑 非均匀性以及光斑模式等。目前较常用的光栅分束器有Dammann光栅分束器、Tablot光栅分束器、相息光栅分束器、 波导 光栅分束器等。另外，位相型菲涅耳 透镜 阵列分束器、透镜分束器等透镜型的分束器也是相当常用的。
偏振
在 标量 领域范围内，光栅的偏振特性往往被忽略，因此，光栅的偏振性在以前不被人所知。但是理论和实验都证明，一块设计合理、制作优良的光栅可以被用来做偏振器、波片和位相 伸缩节 等。
相位匹配
光栅的 相位 匹配性质是指光栅具有的将两个传播 常数 不同的波祸合起来的本领。最明显的例子是光栅 波导股份 祸合器，它能将一束在 自由空间 传播的光束 耦合 到 光波导 中。根据瑞利展开式，一束 平面波 照射在光栅上会产生无穷多的 衍射 平面波，相邻衍射波的 波矢 沿方向的投影之间的距离是个常数，等于光栅的波矢。
应用
精密测量
由于光栅具有测量准确度高等优点，因此在 精密机床 和仪器的精确定位，以及长度、振动和 加速度 的测量中得到广泛应用。 例如光栅 GC2 ，它在量具、 数控机床 的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面都起着重要作用。光栅 传感器 通常作为测量元件应用于 机床 定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、 加速度 、振动等。
光纤通信
利用 光纤光栅 的各种不同 折射率 调制及 光谱 特性，光纤光栅在光纤通信中可实现许多特殊的功能，如：在光的发射端用于外腔 光纤激光器 ；传输段用于 光纤 放大器 的增益平坦；接收端用于色散 补偿器 、解复用器、光的上下路器等等。例如外腔光纤激光器，它是光纤通信系统中一种很有前途的光源。它是利用均匀光纤光栅来选择出射光的波长。
光栅传感
长周期光纤光栅包层模式的有效折射率不仅与 纤芯 的折射率有关，还与环境层的折射率有关。环境层折射率的改变会引起光栅包层模式的有效折射率的变化，进而导致谐振波长的 漂移 。长周期 光纤光栅 的这一特点使得它在环境污染监测，浓度传感，生物传感， 化学 传感方面有着潜在的广泛应用。