Дифракционе решетке

Оптички дисперзивни елементи · Спектроскопија · Ласери · Телеком · Извор: ПхотонЛаб

Дифракционе решетке су кључне оптичке компоненте у широком спектру примена, укључујући спектрометре, друге аналитичке инструменте, телекомуникације и ласерске системе. Решетка садржи микроскопску периодичну структуру жлебова која дели упадну светлост на више путања зрака кроз дифракцију, узрокујући да се светлост различитих таласних дужина шири у различитим правцима. Ово чини дифракциону решетку функционално сличном дисперзивној призми, иако призма раздваја таласне дужине према преламању које зависи од таласне дужине-, а не по дифракцији (слика 1).

Слика 1. Дисперзивна призма раздваја таласне дужине преламањем (горе), док дифракциона решетка раздваја таласне дужине дифракцијом због своје површинске структуре (доле).

Упад светлости на решетку се дифрагује према једначини решетке:

овде,mје цео број који описује дифракцијски (или спектрални) ред,λје таласна дужина светлости,dје размак између жлебова на решетки, је упадни угао, и је угао дифракције светлости која напушта решетку. Конструктивна интерференција различитих дифрактованих таласних фронтова јавља се при целобројним вишекратницима таласне дужине, због чега се у једначини (1) појављује "м".mдефинише ред дифракције:m= 1 се назива дифракција првог-реда,m= 2 је дифракција другог-реда и тако даље (слика 2). Акоm= 0, светлост се или директно рефлектује од решетке или се преноси кроз њу, у зависности од тога да ли је рефлексна или трансмисиона решетка; ово се зове дифракција нултог{1}}реда. За разлику од дисперзивне призме, краће таласне дужине су увек ближе директно рефлектованој или пропуштеној светлости-у овом случају, 0. реда. Постоји извесно преклапање између различитих налога. Сви углови се мере од нормале решетке (управно на решетку).

Слика 2. Нека светлост се директно рефлектује као дифракција 0-реда, док се други делови упадне светлости дифрактују у углове првог-реда у зависности од таласне дужине. Мање количине су раздвојене на дифракцију вишег-угла 2.- и 3.{9}}реда.

Шта треба узети у обзир при избору решетке

Када бирате решетку, важно је навести опсег таласних дужина, таласну дужину пламена (таласну дужину са највећом ефикасношћу у дифрактираном спектру) и угао пламена. Угао пламена описује први-угао дифракције таласне дужине пламена. Под овим углом и у једначини (1) су једнаки, а упадна светлост се одбија у правцу из којег је дошла. Овај услов се такође назива Литтров конфигурација. Рад близу овог угла даје највећу ефикасност.

Густина жлебова или фреквенција жлебова се обично наводи. То је обрнуто од размака жљебоваd. Кључно својство оптичког система је његова дисперзија, али то зависи и од својстава решетке и од начина на који се решетка користи. Без других детаља о систему, самој решетки се не може доделити правило као што је „одређена ротација одговара одређеном раздвајању таласне дужине“. Резолуциона моћ решетке се такође може специфицирати, а она се односи на спектралну резолуцију система. Међутим, ова резолуција зависи и од решетке и од улазних и излазних прореза система. Разлучива моћ решеткеRзависи од спектралног редаmи број жлебова под осветљењемN:

Обично је толико много жлебова осветљено да улазни и излазни прорези{0}}а не решетка-ограничавају резолуцију система. Криве ефикасности се такође могу користити за верификацију нивоа дифракције на свим таласним дужинама које се користе у апликацији.

Решетка треба да буде најмање велика као конус или сноп упадне светлости; иначе ће се светлост са ивица изгубити. Због тога, решетка увек треба да буде недовољно попуњена како би се спречило да се залутала светлост одбија око система и генерише лажне сигнале.

Врсте решетки

Рефлективне решетке у односу на трансмисионе решетке

Две најшире категорије су рефлектујуће решетке и трансмисионе решетке. На сликама 1 и 2 приказане су рефлексијске решетке: у суштини огледала са микроскопским жлебовима. Сви дифрактирани редови рефлектују се од решетке под различитим угловима. Трансмисиона решетка је попут сочива са микроскопским жлебовима: сви дифрактирани редови пролазе кроз решетку, али су померени за углове дате у једначини (1).

Рулед решетке у односу на холографске решетке

И рефлексијске и трансмисионе решетке могу се даље поделити на решеткасте решетке и холографске решетке, које се разликују по томе како се креирају профили жлебова. У рељефним решеткама жлебови се механички гравирају или урезују у компоненту. У холографским решеткама, жлебови се уводе оптички: фотоосетљиви материјал који се зове фоторезист се наноси на подлогу и излаже се оптичком интерферентном узорку. Преостали фоторезист се затим хемијски уклања, остављајући узорак решетке. Линиласте решетке обично имају троугласте жлебове (слика 3), док холографске решетке обично имају синусоидне жлебове (слике 3 и 4).

Слика 3. Линијалне дифракционе решетке обично имају троугласте жлебове. Стрелица на решетки: смер пламена.

Слика 4. Холографске дифракционе решетке обично имају синусне жлебове.

Ецхелле Гратингс

Ешел решетку карактерише већи размак жлебова или мања густина жлебова од обичних решетки-обично око 10×, а понекад и до 100×. Осветљавање ешел решетке под великим углом упада ( ) производи високу дисперзију, високу резолуцију и ниску -зависну ефикасност од поларизације. Ове решетке су веома погодне за апликације које захтевају високу резолуцију, као што су осетљиви астрономски инструменти и системи који траже резолуцију на атомском-нивоу.

Равне решетке у односу на конкавне решетке

Све горе наведене врсте решетки могу се даље поделити на равне решетке и конкавне решетке, описујући њихов укупни облик. Равне решетке су равне и чешће. Ако су жлебови равни и једнако распоређени, решетка је равна, а упадна светлост је колимирана, онда сва дифрактована светлост остаје колимирана. Ово је корисно у многим апликацијама јер својства фокусирања система постају независна од таласне дужине. У поређењу са конкавним решеткама, равне решетке такође обично смањују сложеност система. Конкавне решетке су закривљене, тако да или конвергирају или дивергирају светлост. Ово је корисно за смањење укупног броја оптичких компоненти у систему, али својства фокусирања зависе од таласне дужине.

Гратинг Апплицатионс

Монохроматори

Монохроматор користи конкавну или равну решетку заједно са огледалима да одабере уски појас од упадне светлости. Ако извор беле{1}}светлости уђе у такав уређај, он филтрира све таласне дужине осим предвиђеног уског излазног опсега. Слика 5 показује како монохроматор ротира решетку тако да различите таласне дужине пролазе кроз излазни прорез док су све остале таласне дужине блокиране.

Слика 5. Монохроматор са равним-мрежама (горе) и конкавни-монохроматор са решетком (доле) ротирају решетку да би скенирали редослед дифракције преко излазног прореза и прецизно одређивали које таласне дужине могу напустити уређај.

Спектрометри

Као и монохроматори, спектрометри раздвајају таласне дужине широкопојасног извора, али немају покретне делове. Уместо тога, све одвојене таласне дужине се истовремено снимају на низ детектора (слика 6). Свака таласна дужина се приказује на различитом скупу пиксела, омогућавајући уређају да одреди колики део сваке таласне дужине постоји у широкопојасном извору. Спектрометри се обично користе када је потребна брза спектрална анализа, јер нема потребе за скенирањем таласних дужина преко детектора, штедећи време.

Слика 6. Равни-решетни спектрометар (горе) и конкавни- спектрометар са решетком (доле) користе фиксну решетку за раздвајање упадних таласних дужина на различите пикселе низа детектора.

Ласер Тунинг

Постоји неколико начина да се користи дифракциона решетка за подешавање спектралног излаза ласера ​​или за сужавање његовог излазног опсега. Решетка се може ротирати тако да само одређени ред дифракције напушта ласер; решетка може остати непомична док се огледало ротира да филтрира излазни опсег; или решетка може да замени огледало унутар ласера ​​да би сузила излазни опсег (слика 7).

Слика 7. Ова три подешавања показују различите начине на које се решетка користи за подешавање излазне таласне дужине ласера ​​или сужавање опсега излазне таласне дужине.

Ласерско пулсно истезање, компресија и појачање

Кратки ласерски импулси, као што су ултрабрзи импулси, често имају велику вршну снагу која може оштетити осетљиве оптичке премазе и компоненте. Да би се ово избегло, пар дифракционих решетки се понекад користи за истезање пулса, повећавајући његово трајање и смањујући његову вршну снагу. Истегнути импулс тада може проћи кроз оптичко појачало и добити снагу без оштећења оптичких компоненти. Други пар решетки у обрнутој конфигурацији може компримовати трајање импулса након појачања, производећи кратак импулс велике-снаге на мети (слика 8).

Слика 8. Решетке се могу користити у импулсним ласерским системима како за повећање трајања импулса-спречавање оштећења-индукованог ласером- тако и за смањење трајања импулса, производећи импулсе велике-импулсе на мети.