Difrakcijos grotelės

Optiniai dispersiniai elementai · Spektroskopija · Lazeriai · Telekomunikacijos · Šaltinis: PhotonLab

Difrakcijos gardelės yra pagrindiniai optiniai komponentai, naudojami įvairiose srityse, įskaitant spektrometrus, kitus analitinius prietaisus, telekomunikacijas ir lazerines sistemas. Grotelės turi mikroskopinę periodinę griovelio struktūrą, kuri per difrakciją padalija krintantį šviesą į kelis pluošto takus, todėl skirtingo bangos ilgio šviesa sklinda skirtingomis kryptimis. Dėl to difrakcijos gardelė yra funkciškai panaši į dispersinę prizmę, nors prizmė bangos ilgius atskiria pagal nuo bangos ilgio priklausomą lūžį, o ne pagal difrakciją (1 pav.).

1 pav. Dispersinė prizmė bangų ilgius atskiria refrakcija (viršuje), o difrakcinė gardelė atskiria bangos ilgius difrakcija dėl savo paviršiaus struktūros (apačioje).

Šviesa, krintanti ant grotelių, yra difraktuojama pagal gardelės lygtį:

Čiamyra sveikasis skaičius, apibūdinantis difrakcijos (arba spektrinę) tvarką,λyra šviesos bangos ilgis,dyra atstumas tarp grotelių griovelių, yra kritimo kampas ir yra šviesos, išeinančios iš grotelių, išsklaidytas kampas. Konstruktyvūs skirtingų difrakuotų bangų frontų trukdžiai atsiranda esant sveikiesiems bangos ilgio kartotiniams, todėl (1) lygtyje yra „m“.mapibrėžia difrakcijos tvarką:m= 1 vadinamas pirmosios-eilės difrakcija,m= 2 yra antros-eilės difrakcija ir pan. (2 pav.). Jeigum= 0, šviesa arba tiesiogiai atsispindi nuo grotelių, arba perduodama per jas, priklausomai nuo to, ar tai atspindžio ar perdavimo grotelės; tai vadinama nulinės-eilės difrakcija. Skirtingai nuo dispersinės prizmės, trumpesni bangos ilgiai visada yra arčiau tiesiogiai atsispindėjusios arba skleidžiamos šviesos-šiuo atveju – 0 eilės. Skirtingi užsakymai šiek tiek sutampa. Visi kampai matuojami nuo grotelių normaliosios (statmenos grotoms).

2 pav. Dalis šviesos atsispindi tiesiogiai kaip 0-laipsnio difrakcija, o kitos krintančios šviesos dalys yra išsklaidytos į pirmos-eilės kampus, priklausomai nuo bangos ilgio. Mažesni kiekiai skirstomi į didesnės-kampo 2- ir 3-eilės difrakciją.

Į ką atsižvelgti renkantis groteles

Renkantis gardelę, svarbu nurodyti bangos ilgių diapazoną, bangos ilgį (bangos ilgį, kurio efektyvumas yra didžiausias difraktuotame spektre) ir pliūpsnio kampą. Liepsnos kampas apibūdina pirmos -laipsnio bangos ilgio difrakcijos kampą. Šiuo kampu ir (1) lygtyje yra lygūs, o krintanti šviesa nukreipiama atgal ta kryptimi, iš kurios ji atėjo. Ši sąlyga dar vadinama Littrow konfigūracija. Darbas arti šio kampo užtikrina didžiausią efektyvumą.

Paprastai nurodomas griovelio tankis arba griovelio dažnis. Tai yra atvirkštinis griovelių tarpuid. Pagrindinė optinės sistemos savybė yra jos dispersija, tačiau tai priklauso ir nuo gardelės savybių, ir nuo gardelės naudojimo. Be kitų sistemos detalių, vien grotelėms negalima priskirti tokios taisyklės kaip „tam tikras sukimasis atitinka tam tikrą bangos ilgio atskyrimą“. Taip pat gali būti nurodyta gardelės skiriamoji geba, kuri yra susijusi su sistemos spektrine skiriamąja geba. Tačiau ši skiriamoji geba priklauso ir nuo grotelių, ir nuo sistemos įėjimo ir išėjimo plyšių. Grotelių skiriamoji galiaRpriklauso nuo spektrinės tvarkosmir apšviestų griovelių skaičiusN:

Paprastai apšviečiama tiek daug griovelių, kad įėjimo ir išėjimo plyšiai -o ne grotelės-riboja sistemos skiriamąją gebą. Efektyvumo kreivės taip pat gali būti naudojamos difrakcijos lygiui patikrinti visuose programoje naudojamuose bangos ilgiuose.

Grotelės turi būti ne mažesnės kaip krintančios šviesos kūgis arba spindulys; priešingu atveju šviesa iš kraštų bus prarasta. Todėl grotelės visada turi būti nepakankamai užpildytos, kad išsklaidyta šviesa neatsimuštų aplink sistemą ir nesukeltų klaidingų signalų.

Grotelių rūšys

Atspindinčios grotelės prieš transmisijos groteles

Dvi plačiausios kategorijos yra atspindžio grotelės ir perdavimo grotelės. 1 ir 2 paveiksluose pavaizduotos atspindžio grotelės: iš esmės veidrodžiai su mikroskopiniais grioveliais. Visos difrakcinės eilės atsispindi nuo grotelių skirtingais kampais. Transmisijos grotelės yra kaip lęšis su mikroskopiniais grioveliais: visos difrakcinės eilės praeina per groteles, bet yra kompensuojamos (1) lygtyje nurodytais kampais.

Liniuotos grotelės prieš holografines groteles

Tiek atspindžio, tiek perdavimo groteles galima dar skirstyti į linijines ir holografines groteles, kurios skiriasi tuo, kaip kuriami griovelių profiliai. Liniuotose grotelėse grioveliai yra mechaniškai išgraviruoti arba išpjauti į komponentą. Holografinėse grotelėse grioveliai įvedami optiškai: šviesai jautri medžiaga, vadinama fotorezistu, nusodinama ant pagrindo ir veikiama optinių trukdžių. Tada likęs fotorezistas pašalinamas cheminiu būdu, paliekant grotelių raštą. Liniuotos grotos dažniausiai turi trikampius griovelius (3 pav.), o holografinės – sinusinės formos griovelius (3 ir 4 pav.).

3 pav. Dydžio difrakcijos gardelės paprastai turi trikampius griovelius. Rodyklė ant grotelių: liepsnos kryptis.

4 pav. Holografinės difrakcijos gardelės paprastai turi sinusoidinius griovelius.

Echelle grotelės

Ešelinėms grotelėms būdingas didesnis atstumas tarp griovelių arba mažesnis griovelių tankis nei įprastoms grotelėms -paprastai apie 10×, o kartais ir iki 100×. Apšviečiant ešelio groteles dideliu kritimo kampu ( ), gaunama didelė dispersija, didelė skiriamoji geba ir mažas poliarizacijos -priklausomas efektyvumas. Šios grotelės puikiai tinka naudoti, kai reikia didelės skiriamosios gebos, pvz., jautriems astronominiams instrumentams ir sistemoms, kurios siekia atominio{6} lygio skiriamosios gebos.

Plokštumos grotelės prieš įgaubtas groteles

Visi aukščiau išvardyti grotelių tipai gali būti skirstomi į plokščias ir įgaubtas groteles, nusakant jų bendrą formą. Plokštumos grotos yra plokščios ir labiau paplitusios. Jei grioveliai tiesūs ir vienodais atstumais, grotelės plokščios, o krintanti šviesa kolimuota, tada visa išsklaidyta šviesa lieka kolimuota. Tai naudinga daugelyje programų, nes sistemos fokusavimo savybės nepriklauso nuo bangos ilgio. Lyginant su įgaubtomis grotelėmis, plokščios grotelės taip pat paprastai sumažina sistemos sudėtingumą. Įgaubtos grotelės yra išlenktos, todėl jos arba susilieja, arba išskiria šviesą. Tai naudinga norint sumažinti bendrą optinių komponentų skaičių sistemoje, tačiau tada fokusavimo savybės priklauso nuo bangos ilgio.

Grotelių aplikacijos

Monochromatoriai

Monochromatorius naudoja įgaubtas arba plokščias groteles kartu su veidrodžiais, kad pasirinktų siaurą krintančios šviesos juostą. Jei į tokį įrenginį patenka baltos{1}}šviesos šaltinis, jis išfiltruoja visus bangos ilgius, išskyrus numatytą siaurą išvesties juostą. 5 paveiksle parodyta, kaip monochromatorius sukasi gardelę taip, kad skirtingų bangų ilgiai praeitų per išėjimo plyšį, o visi kiti bangų ilgiai būtų užblokuoti.

5 pav. Plokštuminis-grotelės monochromatorius (viršuje) ir įgaubtas-grotelės monochromatorius (apačioje) sukasi groteles, kad nuskaitytų difrakcijos tvarką per išėjimo plyšį ir tiksliai nustatytų, kurių bangų ilgiai gali palikti įrenginį.

Spektrometrai

Kaip ir monochromatoriai, spektrometrai atskiria plačiajuosčio ryšio šaltinio bangos ilgius, tačiau jie neturi judančių dalių. Vietoj to, visi atskirti bangos ilgiai vienu metu atvaizduojami detektoriaus matricoje (6 pav.). Kiekvienas bangos ilgis vaizduojamas skirtinguose pikselių rinkiniuose, todėl įrenginys gali nustatyti, kiek kiekvieno bangos ilgio yra plačiajuosčio ryšio šaltinyje. Spektrometrai paprastai naudojami, kai reikalinga greita spektrinė analizė, nes nereikia skenuoti bangos ilgių per detektorių, taupant laiką.

6 pav. Plokštuminis-gardelės spektrometras (viršuje) ir įgaubtas-gardelės spektrometras (apačioje) naudoja fiksuotą gardelę krintančių bangų ilgiams atskirti į skirtingus detektoriaus matricos pikselius.

Lazerinis derinimas

Yra keletas būdų, kaip naudoti difrakcinę gardelę lazerio spektriniam išėjimui sureguliuoti arba susiaurinti jo išvesties juostą. Grotelės gali būti pasuktos taip, kad iš lazerio išeitų tik tam tikra difrakcijos tvarka; grotelės gali likti nejudančios, kol veidrodis sukasi filtruodamas išvesties juostą; arba grotelės gali pakeisti veidrodį lazerio viduje, kad susiaurintų išvesties juostą (7 pav.).

7 pav. Šios trys sąrankos rodo skirtingus būdus, kaip grotelės naudojamos lazerio išėjimo bangos ilgiui derinti arba išvesties bangos ilgio diapazonui susiaurinti.

Lazerio impulsų tempimas, suspaudimas ir stiprinimas

Trumpi lazerio impulsai, tokie kaip itin greiti impulsai, dažnai turi didelę didžiausią galią, kuri gali pažeisti jautrias optines dangas ir komponentus. Siekiant to išvengti, kartais naudojama pora difrakcinių gardelių impulsui ištempti, padidinant jo trukmę ir sumažinant jo didžiausią galią. Tada ištemptas impulsas gali praeiti per optinį stiprintuvą ir įgyti galią nepažeidžiant jokių optinių komponentų. Kita atvirkštinės konfigūracijos grotelių pora gali sutrumpinti impulso trukmę po stiprinimo, sukeldama trumpą, didelės{3}}galios impulsą taikinyje (8 pav.).

8 pav. Garteles galima naudoti impulsinėse lazerinėse sistemose, siekiant padidinti impulsų trukmę-užkertant kelią lazerio-sukeltai žalai-, ir sumažinti impulso trukmę, sukuriant didelės-galios impulsus į taikinį.