Difrakcione rešetke

Optički disperzivni elementi · Spektroskopija · Laseri · Telekom · Izvor: PhotonLab

Difrakcijske rešetke su ključne optičke komponente u širokom spektru primjena, uključujući spektrometre, druge analitičke instrumente, telekomunikacije i laserske sisteme. Rešetka sadrži mikroskopsku periodičnu strukturu žljebova koja dijeli upadnu svjetlost na više putanja zraka kroz difrakciju, uzrokujući da se svjetlost različitih valnih dužina širi u različitim smjerovima. Ovo čini difrakcijsku rešetku funkcionalno sličnom disperzivnoj prizmi, iako prizma razdvaja talasne dužine po talasnoj dužini-zavisnoj refrakciji, a ne difrakciji (slika 1).

Slika 1. Disperzivna prizma razdvaja valne dužine lomom (gore), dok difrakciona rešetka razdvaja valne dužine difrakcijom zbog svoje površinske strukture (dolje).

Upad svjetlosti na rešetku se difragira prema jednačini rešetke:

ovdje,mje cijeli broj koji opisuje difrakcijski (ili spektralni) red,λje talasna dužina svetlosti,dje razmak između žljebova na rešetki, je upadni ugao, i je ugao difrakcije svjetlosti koja napušta rešetku. Konstruktivna interferencija različitih difraktovanih talasnih frontova javlja se pri celobrojnim višekratnicima talasne dužine, zbog čega se "m" pojavljuje u jednačini (1).mdefinira red difrakcije:m= 1 se naziva difrakcija prvog-reda,m= 2 je difrakcija drugog- reda i tako dalje (slika 2). Akom= 0, svjetlost se ili direktno odbija od rešetke ili se prenosi kroz nju, ovisno o tome da li je reflektirajuća ili transmisiona rešetka; ovo se zove difrakcija nultog{1}} reda. Za razliku od disperzivne prizme, kraće talasne dužine su uvijek bliže direktno reflektiranoj ili propuštenoj svjetlosti-u ovom slučaju, 0. reda. Postoji određeno preklapanje između različitih narudžbi. Svi uglovi se mjere od normale rešetke (okomito na rešetku).

Slika 2. Neka svjetlost se reflektira direktno kao difrakcija 0-reda, dok se drugi dijelovi upadne svjetlosti difraktiraju u uglove prvog-reda u zavisnosti od talasne dužine. Manje količine su razdvojene na više-ugao 2.- i 3.-difrakciju.

Šta treba uzeti u obzir pri odabiru rešetke

Prilikom odabira rešetke, važno je navesti raspon talasnih dužina, talasnu dužinu plamena (talasnu dužinu sa najvećom efikasnošću u difraktiranom spektru) i ugao plamena. Ugao plamena opisuje prvi-ugao difrakcije talasne dužine plamena. Pod ovim uglom i u jednačini (1) su jednaki, a upadna svetlost se difraktira nazad u pravcu iz kojeg je došla. Ovaj uvjet se također naziva Littrow konfiguracija. Rad blizu ovog ugla daje najveću efikasnost.

Gustoća žljebova ili frekvencija žljebova se obično specificira. To je obrnuto od razmaka žljebovad. Ključno svojstvo optičkog sistema je njegova disperzija, ali to zavisi i od svojstava rešetke i od načina na koji se rešetka koristi. Bez drugih detalja o sistemu, samoj rešetki se ne može dodijeliti pravilo kao što je "određena rotacija odgovara određenom odvajanju talasne dužine". Rezoluciona moć rešetke se takođe može specificirati, a ona se odnosi na spektralnu rezoluciju sistema. Međutim, ova rezolucija zavisi i od rešetke i od ulaznih i izlaznih proreza sistema. Rešetka je moć razlučivanjaRzavisi od spektralnog redami broj žljebova pod osvjetljenjemN:

Obično je toliko mnogo žljebova osvijetljeno da ulazni i izlazni prorezi-a ne rešetka-ograničavaju rezoluciju sistema. Krivulje efikasnosti se također mogu koristiti za verifikaciju nivoa difrakcije na svim talasnim dužinama koje se koriste u aplikaciji.

Rešetka bi trebala biti velika kao konus ili snop upadne svjetlosti; inače će se izgubiti svjetlost sa ivica. Stoga, rešetka uvijek treba biti nedovoljno ispunjena kako bi se spriječilo da se zalutala svjetlost odbija oko sistema i stvara lažne signale.

Vrste rešetki

Reflektivne rešetke u odnosu na transmisione rešetke

Dvije najšire kategorije su reflektirajuće rešetke i transmisione rešetke. Slike 1 i 2 prikazuju reflektirajuće rešetke: u suštini ogledala sa mikroskopskim žljebovima. Svi difraktirani redovi reflektiraju se od rešetke pod različitim uglovima. Transmisiona rešetka je poput sočiva s mikroskopskim žljebovima: svi difraktirani redovi prolaze kroz rešetku, ali su pomjereni za uglove date u jednačini (1).

Ruled rešetke u odnosu na holografske rešetke

I refleksijske i transmisione rešetke mogu se dalje podijeliti na rešetkaste rešetke i holografske rešetke, koje se razlikuju po tome kako se profili žljebova stvaraju. U reljefnim rešetkama žljebovi su mehanički urezani ili urezani u komponentu. U holografskim rešetkama, žljebovi se uvode optički: fotoosjetljivi materijal koji se naziva fotorezist nanosi se na podlogu i izlaže se optičkom interferentnom uzorku. Preostali fotorezist se zatim hemijski uklanja, ostavljajući uzorak rešetke. Linijalne rešetke obično imaju trokutaste žljebove (slika 3), dok holografske rešetke obično imaju sinusoidne žljebove (slike 3 i 4).

Slika 3. Linijalne difrakcijske rešetke obično imaju trouglaste žljebove. Strelica na rešetki: smjer plamena.

Slika 4. Holografske difrakcijske rešetke tipično imaju sinusne žljebove.

Echelle Gratings

Echelle rešetku karakterizira veći razmak žljebova ili manja gustina žljebova od običnih rešetki-obično oko 10×, a ponekad i do 100×. Osvjetljavanje ehelle rešetke pod velikim upadnim uglom ( ) proizvodi visoku disperziju, visoku rezoluciju i nisku efikasnost -zavisnu od polarizacije. Ove rešetke su pogodne za aplikacije koje zahtijevaju visoku rezoluciju, kao što su osjetljivi astronomski instrumenti i sistemi koji traže rezoluciju na atomskom-nivou.

Ravne rešetke u odnosu na konkavne rešetke

Sve gore navedene vrste rešetki mogu se dalje podijeliti na ravne rešetke i konkavne rešetke, opisujući njihov ukupni oblik. Ravne rešetke su ravne i češće. Ako su žljebovi ravni i jednako raspoređeni, rešetka je ravna, a upadna svjetlost je kolimirana, tada sva difraktirana svjetlost ostaje kolimirana. Ovo je korisno u mnogim aplikacijama jer svojstva fokusiranja sistema postaju nezavisna od talasne dužine. U poređenju sa konkavnim rešetkama, ravne rešetke takođe obično smanjuju složenost sistema. Konkavne rešetke su zakrivljene, tako da ili konvergiraju ili divergiraju svjetlost. Ovo je korisno za smanjenje ukupnog broja optičkih komponenti u sistemu, ali svojstva fokusiranja zavise od talasne dužine.

Grating Applications

Monohromatori

Monohromator koristi konkavnu ili ravnu rešetku zajedno sa ogledalima da odabere uski pojas od upadne svetlosti. Ako bijeli-izvor svjetlosti uđe u takav uređaj, on filtrira sve talasne dužine osim predviđenog uskog izlaznog opsega. Slika 5 pokazuje kako monohromator rotira rešetku tako da različite talasne dužine prolaze kroz izlazni prorez dok su sve ostale talasne dužine blokirane.

Slika 5. Monohromator sa ravnim-mrežama (gore) i konkavni-monohromator sa rešetkom (dole) rotiraju rešetku kako bi skenirali redosled difrakcije preko izlaznog proreza i precizno određivali koje talasne dužine mogu napustiti uređaj.

Spektrometri

Kao i monohromatori, spektrometri razdvajaju talasne dužine širokopojasnog izvora, ali nemaju pokretne delove. Umjesto toga, sve odvojene valne dužine se istovremeno snimaju na detektorskom nizu (slika 6). Svaka talasna dužina se prikazuje na različitom skupu piksela, omogućavajući uređaju da odredi koliki deo svake talasne dužine postoji u širokopojasnom izvoru. Spektrometri se obično koriste kada je potrebna brza spektralna analiza, jer nema potrebe za skeniranjem talasnih dužina preko detektora, štedeći vreme.

Slika 6. Ravni-rešetni spektrometar (gore) i konkavni- spektrometar sa rešetkom (dolje) koriste fiksnu rešetku za razdvajanje upadnih talasnih dužina na različite piksele niza detektora.

Laser Tuning

Postoji nekoliko načina da se koristi difrakciona rešetka za podešavanje spektralnog izlaza lasera ili za sužavanje njegovog izlaznog pojasa. Rešetka se može rotirati tako da samo određeni red difrakcije napusti laser; rešetka može ostati nepomična dok se ogledalo rotira kako bi filtriralo izlazni pojas; ili rešetka može zamijeniti ogledalo unutar lasera kako bi se suzila izlazna traka (slika 7).

Slika 7. Ova tri podešavanja pokazuju različite načine na koje se rešetka koristi za podešavanje izlazne talasne dužine lasera ili sužavanje opsega izlazne talasne dužine.

Lasersko pulsno istezanje, kompresija i pojačanje

Kratki laserski impulsi, kao što su ultrabrzi impulsi, često imaju veliku vršnu snagu koja može oštetiti osjetljive optičke premaze i komponente. Da bi se to izbjeglo, ponekad se koristi par difrakcijskih rešetki za rastezanje impulsa, povećavajući njegovo trajanje i smanjujući njegovu vršnu snagu. Istegnuti impuls tada može proći kroz optičko pojačalo i dobiti snagu bez oštećenja bilo koje optičke komponente. Drugi par rešetki u obrnutoj konfiguraciji može komprimirati trajanje impulsa nakon pojačanja, proizvodeći kratak impuls velike-načine na meti (slika 8).

Slika 8. Rešetke se mogu koristiti u impulsnim laserskim sistemima kako za povećanje trajanja impulsa-sprečavanje oštećenja-indukovanog laserom- tako i za smanjenje trajanja impulsa, proizvodeći impulse velike-impulse na meti.