Difrakčné mriežky

Optické disperzné prvky · Spektroskopia · Lasery · Telekom · Zdroj: PhotonLab

Difrakčné mriežky sú kľúčovými optickými komponentmi v širokej škále aplikácií, vrátane spektrometrov, iných analytických prístrojov, telekomunikácií a laserových systémov. Mriežka obsahuje mikroskopickú štruktúru periodickej drážky, ktorá rozdeľuje dopadajúce svetlo na viaceré dráhy lúča prostredníctvom difrakcie, čo spôsobuje, že sa svetlo rôznych vlnových dĺžok šíri rôznymi smermi. Vďaka tomu je difrakčná mriežka funkčne podobná disperznému hranolu, hoci hranol oddeľuje vlnové dĺžky podľa lomu závislého od vlnovej dĺžky- a nie difrakcie (obrázok 1).

Obrázok 1. Disperzný hranol oddeľuje vlnové dĺžky lomom (hore), zatiaľ čo difrakčná mriežka oddeľuje vlnové dĺžky difrakciou vďaka svojej povrchovej štruktúre (dole).

Svetlo dopadajúce na mriežku sa ohýba podľa mriežkovej rovnice:

tumje celé číslo popisujúce difrakčný (alebo spektrálny) poriadok,λje vlnová dĺžka svetla,dje vzdialenosť medzi drážkami na mriežke, je uhol dopadu a je difraktovaný uhol svetla opúšťajúceho mriežku. Konštruktívna interferencia rôznych difraktovaných vlnových plôch nastáva pri celočíselných násobkoch vlnovej dĺžky, a preto sa v rovnici (1) objavuje „m“.mdefinuje poradie difrakcie:m= 1 sa nazýva difrakcia prvého-rádu,m= 2 je difrakcia druhého-rádu a tak ďalej (obrázok 2). Akm= 0, svetlo sa buď priamo odráža od mriežky, alebo cez ňu prechádza, v závislosti od toho, či ide o odrazovú alebo priepustnú mriežku; toto sa nazýva difrakcia -nulového rádu. Na rozdiel od disperzného hranolu sú kratšie vlnové dĺžky vždy bližšie k priamo odrazenému alebo prepustenému svetlu-v tomto prípade 0. rádu. Medzi rôznymi objednávkami existuje určité prekrývanie. Všetky uhly sa merajú od normály mriežky (kolmo na mriežku).

Obrázok 2. Časť svetla sa odráža priamo ako difrakcia 0. -ráda, zatiaľ čo iné časti dopadajúceho svetla sú ohýbané do uhlov prvého- poriadku v závislosti od vlnovej dĺžky. Menšie množstvá sú rozdelené do difrakcie vyššieho-uhlového 2.- a 3.-radu.

Čo treba zvážiť pri výbere mriežky

Pri výbere mriežky je dôležité špecifikovať rozsah vlnových dĺžok, vlnovú dĺžku žiarenia (vlnová dĺžka s najvyššou účinnosťou v difraktovanom spektre) a uhol žiarenia. Uhol záblesku popisuje difrakčný uhol prvého -rádu vlnovej dĺžky záblesku. Pri tomto uhle a v rovnici (1) sú rovnaké a dopadajúce svetlo sa ohýba späť v smere, z ktorého prišlo. Tento stav sa tiež nazýva konfigurácia Littrow. Prevádzka v blízkosti tohto uhla poskytuje najvyššiu účinnosť.

Zvyčajne je špecifikovaná hustota drážky alebo frekvencia drážky. Je to inverzná hodnota rozstupu drážokd. Kľúčovou vlastnosťou optického systému je jeho disperzia, ktorá však závisí od vlastností mriežky a od spôsobu použitia mriežky. Bez ďalších detailov systému nemôže byť samotnej mriežke priradené pravidlo, ako napríklad „určitá rotácia zodpovedá určitej separácii vlnovej dĺžky“. Môže byť špecifikovaná aj rozlišovacia schopnosť mriežky a týka sa spektrálneho rozlíšenia systému. Toto rozlíšenie však závisí od mriežky aj od vstupných a výstupných štrbín systému. Rozlišovacia schopnosť mriežkyRzávisí od spektrálneho poradiama počet drážok pod osvetlenímN:

Zvyčajne je osvetlených toľko drážok, že vstupné a výstupné štrbiny-nie mriežka-obmedzujú rozlíšenie systému. Krivky účinnosti možno použiť aj na overenie úrovne difrakcie naprieč všetkými vlnovými dĺžkami používanými v aplikácii.

Mriežka by mala byť aspoň taká veľká ako dopadajúci svetelný kužeľ alebo lúč; inak sa stratí svetlo z okrajov. Mriežka by preto mala byť vždy nedostatočne naplnená, aby sa zabránilo odrážaniu rozptýleného svetla okolo systému a vytváraniu falošných signálov.

Typy mriežok

Reflexné mriežky vs. prenosové mriežky

Dve najširšie kategórie sú odrazové mriežky a priepustné mriežky. Obrázky 1 a 2 znázorňujú odrazové mriežky: v podstate zrkadlá s mikroskopickými drážkami. Všetky difraktované rády sa odrážajú od mriežky pod rôznymi uhlami. Transmisná mriežka je ako šošovka s mikroskopickými drážkami: všetky difraktované rády prechádzajú cez mriežku, ale sú posunuté o uhly uvedené v rovnici (1).

Riadené mriežky vs. holografické mriežky

Odrazové aj priepustné mriežky možno ďalej rozdeliť na mriežkové mriežky a holografické mriežky, ktoré sa líšia tým, ako sú vytvorené profily drážok. V riadkovaných roštoch sú drážky mechanicky vyryté alebo vyrezané do komponentu. V holografických mriežkach sa drážky zavádzajú opticky: fotosenzitívny materiál nazývaný fotorezist sa nanáša na substrát a vystavuje sa optickému interferenčnému vzoru. Zostávajúci fotorezist sa potom chemicky odstráni, pričom zostane vzor mriežky. Vrúbkované mriežky majú zvyčajne trojuholníkové drážky (obrázok 3), zatiaľ čo holografické mriežky majú zvyčajne sínusové drážky (obrázky 3 a 4).

Obrázok 3. Riadkové difrakčné mriežky majú zvyčajne trojuholníkové drážky. Šípka na mriežke: smer plameňa.

Obrázok 4. Holografické difrakčné mriežky majú typicky sínusové drážky.

Echelle Grits

Echelle mriežka sa vyznačuje väčším rozstupom drážok alebo nižšou hustotou drážok ako bežné mriežky-zvyčajne asi 10× a niekedy až 100×. Osvetlenie mriežkovej mriežky pod vysokým uhlom dopadu ( ) vytvára vysoký rozptyl, vysoké rozlíšenie a nízku polarizačnú-účinnosť závislú. Tieto mriežky sú vhodné pre aplikácie vyžadujúce vysoké rozlíšenie, ako sú citlivé astronomické prístroje a systémy využívajúce rozlíšenie na úrovni atómov-.

Rovinné mriežky vs. konkávne mriežky

Všetky vyššie uvedené typy mriežok možno ďalej rozdeliť na rovinné mriežky a konkávne mriežky, popisujúce ich celkový tvar. Rovinné mriežky sú ploché a bežnejšie. Ak sú drážky rovné a rovnomerne rozmiestnené, mriežka je plochá a dopadajúce svetlo je kolimované, potom všetko difraktované svetlo zostáva kolimované. To je výhodné v mnohých aplikáciách, pretože zaostrovacie vlastnosti systému sa stávajú nezávislými od vlnovej dĺžky. V porovnaní s konkávnymi mriežkami rovinné mriežky tiež zvyčajne znižujú zložitosť systému. Konkávne mriežky sú zakrivené, takže svetlo buď zbiehajú alebo rozchádzajú. To je užitočné na zníženie celkového počtu optických komponentov v systéme, ale zaostrovacie vlastnosti potom závisia od vlnovej dĺžky.

Aplikácie na mriežkovanie

Monochromátory

Monochromátor používa konkávnu alebo rovinnú mriežku spolu so zrkadlami na výber úzkeho pásma z dopadajúceho svetla. Ak sa do takéhoto zariadenia dostane zdroj bieleho svetla, zariadenie odfiltruje všetky vlnové dĺžky okrem zamýšľaného úzkeho výstupného pásma. Obrázok 5 ukazuje, ako monochromátor otáča mriežkou tak, že cez výstupnú štrbinu prechádzajú rôzne vlnové dĺžky, zatiaľ čo všetky ostatné vlnové dĺžky sú blokované.

Obrázok 5. Monochromátor s rovinnou-mriežkou (hore) a monochromátor s konkávnou -mriežkou (dole) otáčajú mriežkou, aby skenovali difrakčné rády cez výstupnú štrbinu a presne určili, ktoré vlnové dĺžky môžu opustiť zariadenie.

Spektrometre

Podobne ako monochromátory, aj spektrometre oddeľujú vlnové dĺžky širokopásmového zdroja, ale nemajú žiadne pohyblivé časti. Namiesto toho sa všetky oddelené vlnové dĺžky zobrazujú súčasne na poli detektorov (obrázok 6). Každá vlnová dĺžka je zobrazená na inom súbore pixelov, čo umožňuje zariadeniu určiť, koľko z každej vlnovej dĺžky existuje v širokopásmovom zdroji. Spektrometre sa zvyčajne používajú, keď je potrebná rýchla spektrálna analýza, pretože nie je potrebné skenovať vlnové dĺžky cez detektor, čo šetrí čas.

Obrázok 6. Spektrometer s rovinnou-mriežkou (hore) a spektrometer s konkávnou -mriežkou (dole) používajú pevnú mriežku na oddelenie dopadajúcich vlnových dĺžok na rôzne pixely poľa detektorov.

Laserové ladenie

Existuje niekoľko spôsobov, ako použiť difrakčnú mriežku na vyladenie spektrálneho výstupu lasera alebo zúženie jeho výstupného pásma. Mriežku možno otáčať tak, že laser opúšťa len určitý difrakčný poriadok; mriežka môže zostať nehybná, kým sa zrkadlo otáča na filtrovanie výstupného pásma; alebo mriežka môže nahradiť zrkadlo vo vnútri lasera, aby sa zúžil výstupný pás (obrázok 7).

Obrázok 7. Tieto tri nastavenia znázorňujú rôzne spôsoby použitia mriežky na vyladenie výstupnej vlnovej dĺžky lasera alebo zúženie rozsahu výstupných vlnových dĺžok.

Natiahnutie, kompresia a zosilnenie laserového pulzu

Krátke laserové impulzy, ako sú ultrarýchle impulzy, majú často vysoký špičkový výkon, ktorý môže poškodiť citlivé optické povlaky a komponenty. Aby sa tomu zabránilo, niekedy sa na natiahnutie impulzu používa pár difrakčných mriežok, čím sa predlžuje jeho trvanie a znižuje sa jeho špičkový výkon. Natiahnutý impulz potom môže prejsť cez optický zosilňovač a získať výkon bez poškodenia akýchkoľvek optických komponentov. Iný pár mriežok v obrátenej konfigurácii môže skrátiť trvanie impulzu po zosilnení, čím sa vytvorí krátky, vysokovýkonný- impulz v cieli (obrázok 8).

Obrázok 8. Mriežky možno použiť v pulzných laserových systémoch na predĺženie trvania impulzu-zabránenie laserom-poškodeniu spôsobenému laserom-a na skrátenie trvania impulzu, čím sa v cieli vytvárajú impulzy s vysokým{4}}výkonom.