Siatki dyfrakcyjne

Optyczne elementy dyspersyjne · Spektroskopia · Lasery · Telekomunikacja · Źródło: PhotonLab

Siatki dyfrakcyjne to kluczowe elementy optyczne w szerokim zakresie zastosowań, w tym w spektrometrach, innych przyrządach analitycznych, telekomunikacji i systemach laserowych. Siatka zawiera mikroskopijną strukturę okresowych rowków, która dzieli padające światło na wiele ścieżek wiązki poprzez dyfrakcję, powodując rozchodzenie się światła o różnych długościach fal w różnych kierunkach. To sprawia, że ​​siatka dyfrakcyjna jest funkcjonalnie podobna do pryzmatu dyspersyjnego, chociaż pryzmat oddziela długości fal na podstawie refrakcji zależnej od długości fali, a nie dyfrakcji (rysunek 1).

Rysunek 1. Pryzmat dyspersyjny oddziela długości fal na drodze załamania (na górze), podczas gdy siatka dyfrakcyjna oddziela długości fal na drodze dyfrakcji ze względu na strukturę powierzchni (na dole).

Światło padające na siatkę jest uginane zgodnie z równaniem siatki:

Tutaj,mjest liczbą całkowitą opisującą porządek dyfrakcji (lub widma),λjest długością fali światła,dto odstęp pomiędzy rowkami na kratce, jest kątem padania, oraz jest ugiętym kątem światła opuszczającego siatkę. Konstruktywna interferencja różnych ugiętych czoła fali występuje przy całkowitych wielokrotnościach długości fali, dlatego w równaniu (1) pojawia się „m”.mdefiniuje rząd dyfrakcji:m= 1 nazywa się dyfrakcją-pierwszego rzędu,m= 2 to dyfrakcja-drugiego rzędu itd. (rysunek 2). Jeślim= 0, światło jest albo bezpośrednio odbijane od siatki, albo przez nią przepuszczane, w zależności od tego, czy jest to siatka odbijająca, czy przepuszczająca; nazywa się to dyfrakcją-rzędu zerowego. W przeciwieństwie do pryzmatu dyspersyjnego, krótsze fale są zawsze bliżej bezpośrednio odbitego lub przechodzącego światła-w tym przypadku rzędu 0. Istnieje pewne nakładanie się różnych porządków. Wszystkie kąty mierzone są od normalnej siatki (prostopadle do siatki).

Rysunek 2. Część światła jest odbijana bezpośrednio w postaci dyfrakcji-rzędu zerowego, podczas gdy inne części padającego światła są uginane pod kątem pierwszego-rzędu, w zależności od długości fali. Mniejsze ilości są rozdzielane na dyfrakcję drugiego-kąta- i trzeciego-rzędu wyższego-.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze kraty

Przy wyborze siatki ważne jest określenie zakresu długości fal, długości fali płomienia (długość fali o najwyższej wydajności w widmie ugiętym) i kąta płomienia. Kąt blasku opisuje kąt-pierwszego rzędu dyfrakcji długości fali blasku. Pod tym kątem i w równaniu (1) są równe, a padające światło jest załamywane z powrotem w kierunku, z którego przyszło. Warunek ten nazywany jest także konfiguracją Littrowa. Praca w pobliżu tego kąta daje najwyższą wydajność.

Zwykle określa się gęstość rowków lub częstotliwość rowków. Jest to odwrotność odstępu między rowkamid. Kluczową właściwością układu optycznego jest jego dyspersja, ale zależy to zarówno od właściwości siatki, jak i sposobu jej wykorzystania. Bez innych szczegółów systemu samej siatce nie można przypisać reguły, takiej jak „pewny obrót odpowiada określonej odległości długości fali”. Można również określić zdolność rozdzielczą siatki, która odnosi się do rozdzielczości widmowej układu. Jednakże rozdzielczość ta zależy zarówno od siatki, jak i od szczelin wejściowych i wyjściowych systemu. Zdolność rozdzielcza siatkiRzależy od porządku widmowegomoraz liczbę rowków pod oświetleniemN:

Zwykle oświetlanych jest tak wiele rowków, że szczeliny wlotowe i wylotowe,-a nie kratka,-ograniczają rozdzielczość systemu. Krzywe wydajności można również wykorzystać do sprawdzenia poziomu dyfrakcji na wszystkich długościach fal stosowanych w danym zastosowaniu.

Kratka powinna być co najmniej tak duża, jak stożek lub wiązka światła padającego; w przeciwnym razie światło z krawędzi zostanie utracone. Dlatego kratka powinna być zawsze niedopełniona, aby zapobiec odbijaniu się światła rozproszonego po systemie i generowaniu fałszywych sygnałów.

Rodzaje krat

Kraty refleksyjne a siatki transmisyjne

Dwie najszersze kategorie to siatki refleksyjne i siatki transmisyjne. Ryciny 1 i 2 przedstawiają siatki refleksyjne: zasadniczo lustra z mikroskopijnymi rowkami. Wszystkie ugięte rzędy odbijają się od siatki pod różnymi kątami. Siatka transmisyjna przypomina soczewkę z mikroskopijnymi rowkami: wszystkie ugięte rzędy przechodzą przez siatkę, ale są przesunięte o kąty podane w równaniu (1).

Kraty liniowe a kraty holograficzne

Zarówno siatki refleksyjne, jak i transmisyjne można dalej podzielić na siatki liniowe i siatki holograficzne, które różnią się sposobem tworzenia profili rowków. W kratach prostokątnych rowki są grawerowane lub wycinane mechanicznie w elemencie. W siatkach holograficznych rowki wprowadzane są optycznie: na podłożu osadza się światłoczuły materiał zwany fotomaską i poddaje go optycznemu wzorowi interferencyjnemu. Pozostałą warstwę fotomaski usuwa się następnie chemicznie, pozostawiając wzór siatki. Kraty linijkowe mają zwykle rowki trójkątne (ryc. 3), podczas gdy siatki holograficzne mają zwykle rowki sinusoidalne (ryc. 3 i 4).

Rysunek 3. Siatki dyfrakcyjne liniowe mają zazwyczaj trójkątne rowki. Strzałka na kratce: kierunek płomienia.

Rysunek 4. Holograficzne siatki dyfrakcyjne mają zazwyczaj sinusoidalne rowki.

Kraty Echelle

Kratka echelle charakteryzuje się większym odstępem między rowkami lub mniejszą gęstością rowków niż zwykłe kraty,-zwykle około 10×, a czasem nawet 100×. Oświetlenie siatki echelle pod dużym kątem padania ( ) zapewnia wysoką dyspersję, wysoką rozdzielczość i niską skuteczność zależną- od polaryzacji. Siatki te doskonale nadają się do zastosowań wymagających wysokiej rozdzielczości, takich jak czułe instrumenty astronomiczne i systemy osiągające rozdzielczość na poziomie atomowym.

Kraty płaskie a kraty wklęsłe

Wszystkie powyższe typy krat można dalej podzielić na kraty płaskie i kraty wklęsłe, opisując ich ogólny kształt. Kraty płaskie są płaskie i bardziej powszechne. Jeśli rowki są proste i równomiernie rozmieszczone, siatka jest płaska, a padające światło jest skolimowane, wówczas całe ugięte światło pozostaje skolimowane. Jest to korzystne w wielu zastosowaniach, ponieważ właściwości skupiające systemu stają się niezależne od długości fali. W porównaniu z kratami wklęsłymi, kraty płaskie zwykle zmniejszają złożoność systemu. Siatki wklęsłe są zakrzywione, więc albo zbiegają się, albo rozchodzą światło. Jest to przydatne do zmniejszenia całkowitej liczby elementów optycznych w systemie, ale właściwości skupiające zależą wówczas od długości fali.

Aplikacje kratowe

Monochromatory

Monochromator wykorzystuje wklęsłą lub płaską siatkę wraz z lustrami, aby wybrać wąskie pasmo z padającego światła. Jeśli źródło-białego światła dostanie się do takiego urządzenia, odfiltruje ono wszystkie długości fal z wyjątkiem zamierzonego wąskiego pasma wyjściowego. Rysunek 5 pokazuje, jak monochromator obraca siatkę, tak że różne długości fal przechodzą przez szczelinę wyjściową, podczas gdy wszystkie inne długości fal są blokowane.

Rysunek 5. Monochromator z siatką-płaską (na górze) i monochromator z siatką{{2} wklęsłą (na dole) obracają siatkę, aby skanować rzędy dyfrakcyjne na szczelinie wyjściowej i precyzyjnie określić, które długości fal mogą opuścić urządzenie.

Spektrometry

Podobnie jak monochromatory, spektrometry oddzielają długości fal źródła szerokopasmowego, ale nie mają ruchomych części. Zamiast tego wszystkie oddzielone długości fal są obrazowane jednocześnie na matrycy detektorów (rysunek 6). Każda długość fali jest obrazowana na innym zestawie pikseli, co pozwala urządzeniu określić, ile każdej długości fali występuje w źródle szerokopasmowym. Spektrometry są zwykle używane, gdy wymagana jest szybka analiza widmowa, ponieważ nie ma potrzeby skanowania długości fal w detektorze, co pozwala zaoszczędzić czas.

Rysunek 6. Spektrometr z siatką-płaską (na górze) i spektrometr z siatką{{2} wklęsłą (na dole) wykorzystują stałą siatkę do rozdzielania padających długości fal na różne piksele układu detektorów.

Strojenie laserowe

Istnieje kilka sposobów wykorzystania siatki dyfrakcyjnej do dostrojenia mocy widmowej lasera lub zawężenia jego pasma wyjściowego. Siatkę można obracać w taki sposób, że z lasera wychodzi tylko określony rząd dyfrakcji; siatka może pozostać nieruchoma, podczas gdy lustro obraca się, aby filtrować pasmo wyjściowe; lub siatka może zastąpić lustro wewnątrz lasera, aby zawęzić pasmo wyjściowe (rysunek 7).

Rysunek 7. Te trzy konfiguracje pokazują różne sposoby wykorzystania siatki do dostrojenia wyjściowej długości fali lasera lub zawężenia zakresu wyjściowej długości fali.

Rozciąganie, kompresja i wzmocnienie impulsu laserowego

Krótkie impulsy laserowe, takie jak ultraszybkie impulsy, często mają wysoką moc szczytową, która może uszkodzić wrażliwe powłoki i komponenty optyczne. Aby tego uniknąć, czasami stosuje się parę siatek dyfrakcyjnych w celu rozciągnięcia impulsu, wydłużając jego czas trwania i zmniejszając jego moc szczytową. Rozciągnięty impuls może następnie przejść przez wzmacniacz optyczny i zyskać moc, nie uszkadzając żadnych elementów optycznych. Inna para siatek w odwrotnej konfiguracji może skrócić czas trwania impulsu po wzmocnieniu, wytwarzając krótki impuls o-mocy w celu (rysunek 8).

Rysunek 8. Siatki można stosować w systemach lasera impulsowego zarówno w celu wydłużenia czasu trwania impulsu,-zapobiegania-uszkodzeniom wywołanym przez laser-, jak i skrócenia czasu trwania impulsu, wytwarzając-impulsy o dużej mocy w celu.