Difrakcijske rešetke

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

Difrakcijske rešetke ključne su optičke komponente u širokom rasponu primjena, uključujući spektrometre, druge analitičke instrumente, telekomunikacije i laserske sustave. Rešetka sadrži mikroskopsku strukturu s periodičnim brazdama koja razdvaja upadnu svjetlost u više putanja snopa putem difrakcije, uzrokujući širenje svjetlosti različitih valnih duljina u različitim smjerovima. Zbog toga je difrakcijska rešetka funkcionalno slična disperzivnoj prizmi, iako prizma odvaja valne duljine pomoću loma-ovisnog o valnoj duljini, a ne prema difrakciji (Slika 1).

Slika 1. Disperzivna prizma razdvaja valne duljine lomom (gore), dok difrakcijska rešetka razdvaja valne duljine lomom zbog svoje površinske strukture (dolje).

Svjetlost koja pada na rešetku lomi se prema jednadžbi rešetke:

Ovdje,mje cijeli broj koji opisuje difrakcijski (ili spektralni) red,λje valna duljina svjetlosti,dje razmak između utora na rešetki, je upadni kut, i je difraktirani kut svjetlosti koja napušta rešetku. Konstruktivna interferencija različitih difraktiranih valnih fronti događa se na cijelim višekratnicima valne duljine, zbog čega se "m" pojavljuje u jednadžbi (1).mdefinira difrakcijski red:m= 1 se naziva difrakcija prvog-reda,m= 2 je difrakcija drugog-reda i tako dalje (slika 2). Akom= 0, svjetlost se ili izravno odbija od rešetke ili se propušta kroz nju, ovisno o tome radi li se o refleksijskoj ili transmisijskoj rešetki; to se zove difrakcija nultog-reda. Za razliku od disperzivne prizme, kraće valne duljine uvijek su bliže izravno reflektiranoj ili propuštenoj svjetlosti-u ovom slučaju, 0. reda. Između različitih redova postoji određeno preklapanje. Svi kutovi se mjere od normale rešetke (okomito na rešetku).

Slika 2. Dio svjetlosti reflektira se izravno kao difrakcija 0-reda, dok se drugi dijelovi upadne svjetlosti reflektiraju pod kutovima prvog-reda ovisno o valnoj duljini. Manje količine se dijele na difrakciju 2.- i 3.-reda većeg{5}}kuta.

Što treba uzeti u obzir pri odabiru rešetke

Prilikom odabira rešetke važno je odrediti raspon valnih duljina, valnu duljinu bljeska (valnu duljinu s najvećom učinkovitošću u difrakcijskom spektru) i kut bljeska. Kut plamena opisuje prvi-kut difrakcije valne duljine plamena. Pod tim kutom i u jednadžbi (1) su jednaki, a upadna svjetlost se odbija natrag u smjeru iz kojeg je došla. Ovo stanje se također naziva Littrow konfiguracija. Rad blizu ovog kuta daje najveću učinkovitost.

Gustoća žljebova ili frekvencija žlijebova obično se navodi. To je obrnuto od razmaka utorad. Ključno svojstvo optičkog sustava je njegova disperzija, ali to ovisi o svojstvima rešetke i načinu na koji se rešetka koristi. Bez ostalih detalja sustava, samoj rešetki ne može se dodijeliti pravilo kao što je "određena rotacija odgovara određenom odvajanju valne duljine." Moć razlučivosti rešetke također se može navesti, a odnosi se na spektralnu razlučivost sustava. Međutim, ova rezolucija ovisi i o rešetki i o ulaznim i izlaznim prorezima sustava. Moć razlučivanja rešetkeRovisi o spektralnom redumi broj žljebova pod osvjetljenjemN:

Obično je toliko mnogo utora osvijetljeno da ulazni i izlazni prorezi-a ne rešetka-ograničavaju razlučivost sustava. Krivulje učinkovitosti također se mogu koristiti za provjeru razine difrakcije na svim valnim duljinama koje se koriste u aplikaciji.

Rešetka bi trebala biti barem jednako velika kao konus ili zraka upadne svjetlosti; inače će se svjetlost s rubova izgubiti. Stoga, rešetka uvijek treba biti nedovoljno ispunjena kako bi se spriječilo odbijanje zalutalog svjetla oko sustava i generiranje lažnih signala.

Vrste rešetki

Refleksijske rešetke naspram prijenosnih rešetki

Dvije najšire kategorije su refleksijske rešetke i transmisione rešetke. Slike 1 i 2 prikazuju refleksijske rešetke: u biti ogledala s mikroskopskim utorima. Svi difraktirani redovi reflektiraju se od rešetke pod različitim kutovima. Prijenosna rešetka je poput leće s mikroskopskim utorima: svi difraktirani redovi prolaze kroz rešetku, ali su pomaknuti za kutove navedene u jednadžbi (1).

Ravnate rešetke naspram holografskih rešetki

I refleksijske i transmisione rešetke mogu se dalje podijeliti na rešetkaste rešetke i holografske rešetke, koje se razlikuju po tome kako se stvaraju profili utora. U rešetkastim rešetkama, utori su mehanički ugravirani ili urezani u komponentu. U holografske rešetke utori se uvode optički: fotoosjetljivi materijal koji se naziva fotorezist taloži se na podlogu i izlaže uzorku optičke interferencije. Preostali fotorezist se zatim uklanja kemijski, ostavljajući rešetkasti uzorak. Ravnate rešetke obično imaju trokutaste utore (slika 3), dok holografske rešetke obično imaju sinusne utore (slike 3 i 4).

Slika 3. Ravnate difrakcijske rešetke obično imaju trokutaste utore. Strelica na rešetki: smjer plamena.

Slika 4. Holografske difrakcijske rešetke obično imaju sinusne utore.

Echelle rešetke

Ešel rešetku karakterizira veći razmak utora ili manja gustoća utora od običnih rešetki-obično oko 10×, a ponekad i do 100×. Osvjetljavanje ešelske rešetke pod visokim upadnim kutom ( ) proizvodi veliku disperziju, visoku razlučivost i nisku učinkovitost-ovisnu o polarizaciji. Ove rešetke dobro su prilagođene aplikacijama koje zahtijevaju visoku razlučivost, kao što su osjetljivi astronomski instrumenti i sustavi koji teže razlučivosti na atomskoj-razini.

Ravne rešetke naspram konkavnih rešetki

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 utori ravni i jednako razmaknuti, rešetka je ravna, a upadna svjetlost kolimirana, tada sva difraktirana svjetlost ostaje kolimirana. Ovo je korisno u mnogim primjenama jer svojstva fokusiranja sustava postaju neovisna o valnoj duljini. U usporedbi s konkavnim rešetkama, ravne rešetke također obično smanjuju složenost sustava. Konkavne rešetke su zakrivljene, tako da ili konvergiraju ili divergiraju svjetlost. Ovo je korisno za smanjenje ukupnog broja optičkih komponenti u sustavu, ali svojstva fokusiranja tada ovise o valnoj duljini.

Primjene za rešetke

Monokromatori

Monokromator koristi konkavnu ili ravnu rešetku zajedno sa zrcalima za odabir uskog pojasa od upadne svjetlosti. Ako bijeli{1}}izvor svjetlosti uđe u takav uređaj, on filtrira sve valne duljine osim predviđenog uskog izlaznog pojasa. Slika 5 prikazuje kako monokromator rotira rešetku tako da različite valne duljine prolaze kroz izlazni prorez dok su sve ostale valne duljine blokirane.

Slika 5. Monokromator s ravnom{1}}rešetkom (gore) i monokromator s konkavnom{2}}rešetkom (dolje) okreću rešetku za skeniranje redova difrakcije preko izlaznog proreza i precizno određuju koje valne duljine mogu napustiti uređaj.

Spektrometri

Kao i monokromatori, spektrometri odvajaju valne duljine širokopojasnog izvora, ali nemaju pomičnih dijelova. Umjesto toga, sve odvojene valne duljine se istovremeno prikazuju na nizu detektora (Slika 6). Svaka se valna duljina prikazuje na različitom skupu piksela, omogućujući uređaju da odredi koliko svake valne duljine postoji u širokopojasnom izvoru. Spektrometri se obično koriste kada je potrebna brza spektralna analiza, jer nema potrebe za skeniranjem valnih duljina preko detektora, čime se štedi vrijeme.

Slika 6. Spektrometar s ravnom{1}}rešetkom (gore) i spektrometar s konkavnom{2}}rešetkom (dolje) koriste fiksnu rešetku za odvajanje upadnih valnih duljina na različite piksele niza detektora.

Lasersko podešavanje

Postoji nekoliko načina za korištenje difrakcijske rešetke za podešavanje laserskog spektralnog izlaza ili sužavanje njegovog izlaznog pojasa. Rešetka se može rotirati tako da samo određeni red difrakcije napušta laser; rešetka može ostati nepomična dok se zrcalo rotira da filtrira izlazni pojas; ili rešetka može zamijeniti ogledalo unutar lasera kako bi se suzio izlazni pojas (slika 7).

Slika 7. Ove tri postavke pokazuju različite načine na koje se rešetka koristi za podešavanje izlazne valne duljine lasera ili sužavanje raspona izlazne valne duljine.

Lasersko pulsno rastezanje, 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 pulsa, povećavajući njegovo trajanje i smanjujući njegovu vršnu snagu. Protegnuti 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 kratki puls velike -snage na meti (Slika 8).

Slika 8. Rešetke se mogu koristiti u pulsirajućim laserskim sustavima i za povećanje trajanja impulsa-sprječavanje-oštećenja izazvanog laserom-i za smanjenje trajanja impulsa, proizvodeći-impulse velike snage na meti.