Diffrakciós rácsok

Optikai diszpergáló elemek · Spektroszkópia · Lézerek · Telekommunikáció · Forrás: PhotonLab

A diffrakciós rácsok kulcsfontosságú optikai alkatrészek az alkalmazások széles körében, beleértve a spektrométereket, egyéb analitikai eszközöket, a távközlést és a lézerrendszereket. A rács mikroszkopikus, periodikus barázdás szerkezetet tartalmaz, amely a beeső fényt diffrakción keresztül több sugárútra osztja, így a különböző hullámhosszúságú fény különböző irányokba terjed. Ezáltal a diffrakciós rács funkcionálisan hasonló a diszperzív prizmához, bár a prizma inkább hullámhossz-függő fénytöréssel választja el a hullámhosszokat, mint diffrakcióval (1. ábra).

1. ábra A diszperzív prizma fénytöréssel választja el a hullámhosszokat (fent), míg a diffrakciós rács a felületi szerkezetének köszönhetően (lent) diffrakcióval választja el a hullámhosszokat.

A rácsra beeső fény a rácsegyenlet szerint diffraktálódik:

Itt,ma diffrakciós (vagy spektrális) sorrendet leíró egész szám,λa fény hullámhossza,da rácson lévő hornyok közötti távolság, a beesési szög, és a rácsot elhagyó fény elhajlásszöge. A különböző diffrakciós hullámfrontok konstruktív interferenciája a hullámhossz egész számú többszörösénél lép fel, ezért az (1) egyenletben "m" jelenik meg.mmeghatározza a diffrakciós sorrendet:mA(z)=1-t első-rendű diffrakciónak nevezik,mA=2 másodrendű-diffrakció, és így tovább (2. ábra). Ham= 0, a fény vagy közvetlenül visszaverődik a rácsról, vagy áthalad rajta, attól függően, hogy visszaverő vagy áteresztő rácsról van szó; ezt nevezik nulla-rendű diffrakciónak. A diszperzív prizmától eltérően a rövidebb hullámhosszak mindig közelebb vannak a közvetlenül visszavert vagy áteresztett fényhez-, ebben az esetben a 0. rendű. Némi átfedés van a különböző megrendelések között. Minden szöget a rács normálértékétől mérünk (a rácsra merőlegesen).

2. ábra: A fény egy része közvetlenül 0--rendű diffrakcióként verődik vissza, míg a beeső fény más részei a hullámhossztól függően első-rendű szögekbe diffraktálódnak. A kisebb mennyiségeket nagyobb-szög 2.- és 3.-rendű diffrakcióra osztjuk.

Mit kell figyelembe venni a rács kiválasztásakor

A rács kiválasztásakor fontos megadni a hullámhossz-tartományt, a lánghullámhosszt (a legnagyobb hatásfokú hullámhossz a diffrakciós spektrumban), valamint a lángolási szöget. A lángolási szög a láng hullámhosszának első-rendű diffrakciós szögét írja le. Ennél a szögnél és az (1) egyenletben egyenlők, és a beeső fény visszaterül abba az irányba, ahonnan jött. Ezt a feltételt Littrow konfigurációnak is nevezik. Az ehhez a szöghöz közeli működés biztosítja a legnagyobb hatékonyságot.

Általában a barázda sűrűségét vagy frekvenciáját adják meg. Ez a horonytávolság inverzed. Az optikai rendszer kulcsfontosságú tulajdonsága a diszperzió, de ez a rács tulajdonságaitól és a rács használatától is függ. Egyéb rendszerrészletek nélkül egy rácshoz önmagában nem lehet olyan szabályt hozzárendelni, mint például "egy bizonyos forgás egy bizonyos hullámhossz-szétválasztásnak felel meg". Egy rács felbontóképessége is megadható, és ez a rendszer spektrális felbontására vonatkozik. Ez a felbontás azonban mind a rácstól, mind a rendszer be- és kimeneti réseitől függ. A rács felbontó erejeRspektrális sorrendtől függmés a megvilágítás alatt lévő barázdák számaN:

Általában annyi horony van megvilágítva, hogy a bemeneti és kijárati rések -nem a rács- korlátozzák a rendszer felbontását. A hatékonysági görbék is használhatók a diffrakciós szint ellenőrzésére az alkalmazásban használt összes hullámhosszon.

A rácsnak legalább akkorának kell lennie, mint a beeső fénykúp vagy -sugár; különben a szélek fénye elvész. Ezért a rácsot mindig alul kell tölteni, nehogy szórt fény pattanjon a rendszer körül és hamis jeleket generáljon.

A rácsok típusai

Fényvisszaverő rácsok vs. sebességváltó rácsok

A két legtágabb kategória a fényvisszaverő rácsok és a transzmissziós rácsok. Az 1. és 2. ábrán reflexiós rácsok láthatók: lényegében mikroszkopikus barázdákkal ellátott tükrök. Minden diffrakciós sorrend különböző szögben tükröződik a rácsról. A transzmissziós rács olyan, mint egy lencse mikroszkopikus barázdákkal: minden diffrakciós rend áthalad a rácson, de az (1) egyenletben megadott szögek kiegyenlítik.

Vonalozott rácsok kontra holografikus rácsok

Mind a reflexiós, mind az áteresztő rácsok tovább oszthatók vonalas rácsokra és holografikus rácsokra, amelyek a horonyprofilok kialakításában különböznek egymástól. A vonalas rácsokban a hornyokat mechanikusan gravírozzák vagy vágják az alkatrészbe. A holografikus rácsokban a hornyokat optikailag vezetik be: a fotorezisztnek nevezett fényérzékeny anyagot egy hordozóra helyezik, és optikai interferencia mintázatnak teszik ki. A maradék fotoreziszt ezután vegyi úton eltávolítjuk, így a rácsminta megmarad. A vonalas rácsokon általában háromszög alakú hornyok vannak (3. ábra), míg a holografikus rácsokon általában szinuszos hornyok (3. és 4. ábra).

3. ábra. A szabályos diffrakciós rácsok jellemzően háromszög alakú hornyokkal rendelkeznek. Nyíl a rácson: a lángolás iránya.

4. ábra A holografikus diffrakciós rácsok jellemzően szinuszos hornyokkal rendelkeznek.

Echelle rácsok

Az echelle rácsot nagyobb horonytávolság vagy kisebb horonysűrűség jellemzi, mint a közönséges rácsok -tipikusan körülbelül 10×, néha akár 100×. Egy echelle rács megvilágítása nagy beesési szögben ( ) nagy diszperziót, nagy felbontást és alacsony polarizáció-függő hatékonyságot eredményez. Ezek a rácsok jól illeszkednek a nagy felbontást igénylő alkalmazásokhoz, például érzékeny csillagászati ​​műszerekhez és atomi szintű felbontást követelő rendszerekhez.

Sík rácsok vs. homorú rácsok

Az összes fenti rácstípus tovább osztható sík rácsokra és homorú rácsokra, leírva általános alakjukat. A sík rácsok laposak és gyakoribbak. Ha a hornyok egyenesek és egyenlő távolságra vannak, a rács lapos, és a beeső fény kollimált, akkor minden szórt fény kollimált marad. Ez számos alkalmazásban előnyös, mert a rendszer fókuszálási tulajdonságai függetlenné válnak a hullámhossztól. A homorú rácsokhoz képest a sík rácsok általában csökkentik a rendszer bonyolultságát. A homorú rácsok íveltek, így vagy összefolynak, vagy szétválasztják a fényt. Ez hasznos a rendszerben lévő optikai komponensek számának csökkentésére, de a fókuszálási tulajdonságok a hullámhossztól függenek.

Rács alkalmazások

Monokromátorok

A monokromátor homorú vagy sík rácsot használ tükrökkel együtt, hogy egy keskeny sávot válasszon ki a beeső fényből. Ha fehér{1}}fényforrás lép be egy ilyen eszközbe, az minden hullámhosszt kiszűr, kivéve a tervezett keskeny kimeneti sávot. Az 5. ábra azt mutatja be, hogy a monokromátor hogyan forgatja el a rácsot úgy, hogy különböző hullámhosszak haladjanak át a kilépő résen, miközben az összes többi hullámhossz blokkolva van.

5. ábra: Sík-rácsos monokromátor (fent) és konkáv-rácsos monokromátor (alul) egyaránt elforgatja a rácsot, hogy a diffrakciós sorrendet pásztázza a kilépő résen, és pontosan meghatározza, mely hullámhosszok hagyhatják el az eszközt.

Spektrométerek

A monokromátorokhoz hasonlóan a spektrométerek is szétválasztják a szélessávú forrás hullámhosszait, de nincs mozgó alkatrészük. Ehelyett az összes elválasztott hullámhossz egyidejűleg leképeződik egy detektortömbre (6. ábra). Minden hullámhossz egy másik pixelkészletre kerül leképezésre, lehetővé téve az eszköz számára, hogy meghatározza, hogy az egyes hullámhosszokból mennyi található a szélessávú forrásban. A spektrométereket általában akkor használják, ha gyors spektrális elemzésre van szükség, mivel nincs szükség a hullámhosszak pásztázására a detektoron keresztül, így időt takarítanak meg.

6. ábra: Sík-rács-spektrométer (fent) és konkáv-rács-spektrométer (alul) egyaránt rögzített rácsot használ a beeső hullámhosszak elkülönítésére a detektortömb különböző pixeleire.

Lézeres hangolás

Számos módja van a diffrakciós rács használatának a lézer spektrális kimenetének hangolására vagy a kimeneti sáv szűkítésére. A rács forgatható úgy, hogy csak egy meghatározott diffrakciós sorrend hagyja el a lézert; a rács mozdulatlan maradhat, miközben egy tükör forog a kimeneti sáv szűrésére; vagy a rács helyettesítheti a lézer belsejében lévő tükröt a kimeneti sáv szűkítésére (7. ábra).

7. ábra. Ez a három beállítás bemutatja a rács különböző módjait a lézer kimeneti hullámhosszának hangolására vagy a kimeneti hullámhossz-tartomány szűkítésére.

Lézeres impulzusnyújtás, tömörítés és erősítés

A rövid lézerimpulzusok, például az ultragyors impulzusok gyakran nagy csúcsteljesítménnyel rendelkeznek, ami károsíthatja az érzékeny optikai bevonatokat és alkatrészeket. Ennek elkerülése érdekében néha egy pár diffrakciós rácsot használnak az impulzus nyújtására, növelve annak időtartamát és csökkentve a csúcsteljesítményt. A megnyújtott impulzus ezután áthaladhat egy optikai erősítőn, és teljesítményt nyerhet anélkül, hogy az optikai alkatrészeket károsítaná. Egy másik, fordított konfigurációjú rácspár összenyomhatja az impulzus időtartamát az erősítés után, és rövid, nagy teljesítményű impulzust hoz létre a célponton (8. ábra).

8. ábra. A rácsok impulzusos lézerrendszerekben használhatók az impulzus időtartamának növelésére-megakadályozva a lézer-indukált károsodást-, és csökkentik az impulzus időtartamát, nagy-teljesítményű impulzusokat hozva létre a célpontnál.