在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)體系中，光柵作為關(guān)鍵的光線調(diào)控元件，憑借其對(duì)光的折射、衍射特性的精準(zhǔn)利用，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)及前沿技術(shù)探索等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。柱鏡光柵、劃線光柵與閃耀光柵作為三類具有代表性的光柵技術(shù)，基于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理，形成了各具特色的性能優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用場(chǎng)景已深度覆蓋立體顯示、光譜分析、激光技術(shù)等多個(gè)核心領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)光學(xué)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與科技創(chuàng)新具有重要意義。

    柱鏡光柵：立體顯示技術(shù)的核心支撐
    柱鏡光柵是由微小圓柱狀凸透鏡陣列構(gòu)成的光學(xué)功能材料，其核心工作原理建立在光線折射規(guī)律與雙眼視差效應(yīng)的協(xié)同作用之上。當(dāng)光線穿過(guò)透鏡陣列時(shí)，目標(biāo)物體的成像被分解為若干細(xì)條單元，隨著透鏡數(shù)量的增加，細(xì)條單元的密度超出人眼分辨率閾值，進(jìn)而在視覺(jué)層面形成立體感知或“隱形”效果，這一原理與圓柱形水瓶注滿水后產(chǎn)生的成像畸變效應(yīng)具有相似性。
    在技術(shù)特性方面，柱鏡光柵的核心優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示功能，無(wú)需輔助光學(xué)設(shè)備即可為用戶提供立體視覺(jué)體驗(yàn)。相較于視差障柵技術(shù)，柱鏡光柵不存在背光遮擋問(wèn)題，能夠最大限度保留畫面原始亮度，同時(shí)具備高對(duì)比度、高分辨率及低串?dāng)_等技術(shù)特點(diǎn)，有效提升了3D圖像的呈現(xiàn)質(zhì)量。此外，現(xiàn)代柱鏡光柵技術(shù)已實(shí)現(xiàn)2D與3D片源的兼容適配，可滿足多場(chǎng)景下的顯示需求切換。
    當(dāng)前，柱鏡光柵的主要應(yīng)用集中于裸眼3D顯示設(shè)備領(lǐng)域，包括裸眼3D廣告機(jī)、燈箱、個(gè)人一體機(jī)及筆記本電腦、平板電腦等終端產(chǎn)品。在機(jī)場(chǎng)、車站、商業(yè)綜合體等公共空間，該類設(shè)備憑借震撼的立體視覺(jué)效果，已成為信息傳播與商業(yè)展示的重要載體。中國(guó)科學(xué)院院士褚君浩曾在“bilibili超級(jí)科學(xué)晚”“央視《開講啦》”等科普平臺(tái)中，系統(tǒng)展示了柱鏡光柵的技術(shù)原理與應(yīng)用潛力，推動(dòng)了該技術(shù)的公眾認(rèn)知。
    從發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，截至2023年，柱鏡光柵尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)與商業(yè)化普及，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨成本控制、材料耐久性提升及安全規(guī)范制定等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來(lái)，該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景有望向公共安全、交通運(yùn)輸及日常生活等領(lǐng)域延伸。褚君浩院士提出，隱身技術(shù)的發(fā)展分為偽裝、精準(zhǔn)隱身與超材料三個(gè)階段，當(dāng)前正處于第二階段的探索期，柱鏡光柵為隱身衣、隱形房間等前沿裝備的研發(fā)提供了可行的技術(shù)路徑，但同時(shí)其在軍事領(lǐng)域可能存在的濫用風(fēng)險(xiǎn)，也需通過(guò)完善的政策監(jiān)管體系予以規(guī)范。

    劃線光柵：寬光譜分析領(lǐng)域的基礎(chǔ)元件
    劃線光柵（又稱刻劃光柵）是光柵技術(shù)中歷史最為悠久的核心類型之一，其制造工藝采用鉆石刻刀在薄金屬基底表面進(jìn)行機(jī)械刻劃，形成周期性的刻線結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的工作原理基于光的衍射現(xiàn)象，當(dāng)入射光照射到光柵表面的周期性刻線時(shí)，不同波長(zhǎng)的光線會(huì)發(fā)生衍射并沿不同角度出射，從而實(shí)現(xiàn)分光功能。通過(guò)優(yōu)化刻槽的幾何結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提升劃線光柵的光學(xué)性能。
    劃線光柵的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，衍射效率較高，在其閃耀角對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，衍射效率可達(dá)80%90%；其二，光譜覆蓋范圍廣，當(dāng)光譜分析需求的波長(zhǎng)超過(guò)1500nm時(shí)，劃線光柵是目前技術(shù)條件下的首選方案。與此同時(shí)，該技術(shù)也存在顯著的局限性：受機(jī)械刻劃工藝的制約，刻劃過(guò)程中可能產(chǎn)生周期性失誤或隨機(jī)誤差，進(jìn)而導(dǎo)致鬼線與高雜散光問(wèn)題；此外，其刻線密度通常介于20g/mm至1800g/mm之間，且以平面光柵為主，難以滿足部分高精度應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
    由于原刻光柵（母光柵）的制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)制光柵的使用更為廣泛。復(fù)制光柵通過(guò)母光柵復(fù)刻而成，雖在光學(xué)性能上略遜于原刻光柵，但有效降低了應(yīng)用成本，已成為寬光譜分析場(chǎng)景中的主流選擇。目前，劃線光柵主要應(yīng)用于需要寬光譜分析的科研與工業(yè)領(lǐng)域，為物質(zhì)成分檢測(cè)、光譜特性研究等工作提供基礎(chǔ)支撐。

    閃耀光柵：高精度光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件
    閃耀光柵作為劃線光柵的優(yōu)化升級(jí)版本，其核心創(chuàng)新在于將光柵刻槽設(shè)計(jì)為鋸齒形斷面結(jié)構(gòu)。在閃耀光柵中，起衍射作用的槽面為光滑平面，該平面與光柵基底表面形成特定夾角，即閃耀角；最大光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)被稱為閃耀波長(zhǎng)。通過(guò)精準(zhǔn)控制閃耀角參數(shù)，可使光柵的光能量集中于預(yù)定的光譜級(jí)次，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波段光線的高效利用。
    該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于解決了傳統(tǒng)透射光柵中零級(jí)光譜占比過(guò)高的問(wèn)題，將大部分光能量轉(zhuǎn)移至具有色散功能的目標(biāo)光譜級(jí)次，使得閃耀光柵在特定波段的光學(xué)效率遠(yuǎn)超普通光柵。其衍射角度可通過(guò)光柵間距、閃耀角及工作波長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求優(yōu)化性能。
    在應(yīng)用領(lǐng)域方面，閃耀光柵廣泛應(yīng)用于單色儀、光譜儀等精密光學(xué)儀器，其中Littrow結(jié)構(gòu)作為閃耀光柵的典型幾何設(shè)計(jì)，已成為此類儀器的核心組成部分。在激光技術(shù)領(lǐng)域，閃耀光柵同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用：2020年，澳大利亞引力波天體物理中心的D.P.Kapasi等人基于增益芯片與衍射光柵組成的Littrow型結(jié)構(gòu)，研發(fā)出閃耀光柵外腔窄線寬激光器，該設(shè)備中心波長(zhǎng)為2μm，最大輸出功率達(dá)9.3mW，激光線寬為20kHz@10ms，調(diào)諧范圍可達(dá)120nm，適用于光譜檢測(cè)、非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、光學(xué)原子鐘及里德堡原子測(cè)量系統(tǒng)等對(duì)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍與光譜分辨率要求較高的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。
    未來(lái)，隨著光子集成技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，閃耀光柵正朝著高效率、小型化的方向演進(jìn)?；诨旌霞煞桨傅牟▽?dǎo)光柵器件，其制備工藝與傳統(tǒng)微納工藝具有良好兼容性，為低成本大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)提供了可能；而基于晶圓鍵合的硅基異質(zhì)集成ⅢⅤ族窄線寬半導(dǎo)體激光器，憑借其優(yōu)異的性能潛力，已成為該領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)方向。

    技術(shù)對(duì)比與行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
    三類光柵技術(shù)雖均以光柵核心原理為基礎(chǔ)，但在制造工藝、性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景上呈現(xiàn)顯著差異：
    制造工藝層面：柱鏡光柵通過(guò)微加工技術(shù)構(gòu)建圓柱透鏡陣列；劃線光柵采用機(jī)械刻劃工藝實(shí)現(xiàn)周期性刻線；閃耀光柵則在機(jī)械刻劃基礎(chǔ)上優(yōu)化刻槽斷面結(jié)構(gòu)，形成鋸齒形設(shè)計(jì)。
    性能特點(diǎn)層面：柱鏡光柵聚焦光線折射與立體顯示功能，具有高亮度、高對(duì)比度優(yōu)勢(shì)；劃線光柵以寬光譜覆蓋與高衍射效率為核心特性，但存在鬼線與雜散光問(wèn)題；閃耀光柵則突出特定波段的能量集中優(yōu)勢(shì)，光學(xué)效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)光柵。
    應(yīng)用場(chǎng)景層面：柱鏡光柵主要服務(wù)于裸眼3D顯示領(lǐng)域；劃線光柵適配寬光譜分析需求；閃耀光柵則專注于高精度光譜儀器與激光技術(shù)應(yīng)用。
    從發(fā)展階段來(lái)看，劃線光柵與閃耀光柵已進(jìn)入成熟應(yīng)用期，技術(shù)工藝不斷優(yōu)化完善；柱鏡光柵目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究與特定商業(yè)應(yīng)用并行的階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有待突破?？傮w而言，三類技術(shù)均朝著更高精度、更高效率、更小體積及更低成本的方向發(fā)展。
    2016年11月，由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)的研制”通過(guò)驗(yàn)收，并成功制造出世界最大面積中階梯光柵。該成果標(biāo)志著我國(guó)在大面積高精度光柵制造領(lǐng)域的核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，也印證了光柵技術(shù)向超大尺寸、超高精度方向邁進(jìn)的行業(yè)趨勢(shì)。
    光柵技術(shù)作為現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的重要分支，其發(fā)展與創(chuàng)新對(duì)科學(xué)研究的深入推進(jìn)、工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要支撐作用。柱鏡光柵、劃線光柵與閃耀光柵憑借各自獨(dú)特的技術(shù)特性，在立體顯示、光譜分析、激光技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域構(gòu)建了不可替代的應(yīng)用價(jià)值。

    隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，三類光柵技術(shù)將逐步突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，其應(yīng)用邊界將進(jìn)一步拓展：柱鏡光柵有望推動(dòng)隱身技術(shù)從理論探索走向?qū)嶋H應(yīng)用；劃線光柵將為物質(zhì)成分分析、天體物理研究等領(lǐng)域提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐；閃耀光柵則將在精密制造、量子科技等前沿領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)，光柵技術(shù)將以更精準(zhǔn)的光線調(diào)控能力、更廣泛的場(chǎng)景適配性，為人類探索未知、改造世界提供堅(jiān)實(shí)的光學(xué)技術(shù)保障，持續(xù)賦能科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。