Az optimális rács kiválasztása spektroszkópiai alkalmazásokhoz
Gyakorlati útmutató · Diffrakciós rács kiválasztása · Forrás: PhotonLab
Adja meg a legfontosabb paramétereket a legjobb rács kiválasztásához a spektroszkópiai alkalmazásokhoz. A diffrakciós rács egy periodikus szerkezetű optikai komponens, amely a fényt hullámhossz szerint előre megjósolható irányban terjedő nyalábokra választja szét. A rácsok számos modern spektroszkópiai műszer alapvető diszpergáló elemei.
A rácsozás alapjai
A felületi-diffrakciós rács egy passzív optikai elem, amely minden hullámhosszhoz és diffrakciós sorrendhez egyedi szögbe irányítja a beeső fényt. Ez az átirányítás vagy diffrakció a fázisváltozásokból adódik, amikor az elektromágneses hullámok találkoznak a rácsfelület szabályos, rögzített szerkezetével. Minden hullámhossz más-más fáziseltolódást tapasztal, ezért más-más szögben rekonstruálják, ami a szélessávú fény szórását eredményezi.
Ha a beeső sugárzás hullámhossza sokkal nagyobb, mint a barázdatávolság, diffrakció nem következik be. Ha a hullámhossz sokkal kisebb, mint a barázdatávolság, akkor a horonylapok tükörként viselkednek, és ismét nem jön létre diffrakció.
Rács típusok
A két leggyakoribb horonyprofil auralkodottésholografikus, amelyek a főrács gyártásának módszerére vonatkoznak. A vonalas rácsokat úgy állítják elő, hogy egy fényvisszaverő felületen egy gyémántszerszámmal fizikailag hornyokat alakítanak ki. A vonalas rács horonyprofilja nagymértékben szabályozható és könnyen optimalizálható az adott alkalmazáshoz, és a legtöbb esetben a legjobb diffrakciós hatékonyságot biztosítja ennek a tervezési szabadságnak köszönhetően.
1. ábra A vonalzós égetett rács jellemző profilja.
2. ábra Holografikus diffrakciós rács szimmetrikus profilja.
3. ábra Holografikus diffrakciós rács aszimmetrikus profilja.
4. ábra Egy durva vonalú égetett rács mért profilja.
5. ábra Egy szimmetrikus holografikus diffrakciós rács mért profilja.
6. ábra: Egy kiégett holografikus diffrakciós rács mért profilja.
A holografikus horonyprofilokat a fotoreziszt optikai interferenciája állítja elő, majd egy tartós anyagba viszi át replikáció céljából. A holografikus rácsok minimalizálják a szórt fényt, és olyan horonytávolságokat tesznek lehetővé, amelyek mechanikus vonalvezetéssel nem lennének praktikusak. Emiatt a holografikus rácsok dominálnak az ultraibolya hullámhossz-elemzést igénylő alkalmazásokban. Néhány figyelemre méltó eset kivételével azonban a holografikus rácsok általában alacsonyabb diffrakciós csúcshatékonysággal rendelkeznek, mint a vonalas rácsoké, mivel jellemzőik kevésbé élesek, és kevesebb szabadsági fokot kínálnak a horony-profil szabályozásában.
Diszperzió, felbontás és felbontóerő
A spektroszkópiai műszerek diffrakciós rácsának fő funkciója a szélessávú forrás szögben történő szétválasztása egy olyan spektrumra, amelyben minden hullámhossznak ismert iránya van. Ezt a tulajdonságot diszperziónak nevezzük. A hullámhosszra és a szögre vonatkozó egyenlet a rácsegyenlet:
aholna diffrakciós sorrend,λa fény hullámhossza,da szomszédos hornyok közötti távolság,θa rácsnormálhoz viszonyított beesési szög, ésθ′a rácsnormálhoz viszonyított diffrakciós szög.
7. ábra Tipikus diffrakciós mintázat.
A szögdiszperziót a következő képlet adja meg:
A felbontás rendszertulajdonság, nem rácstulajdonság. A spektroszkópiai műszernek elég szűk spektrális sávszélességet kell biztosítania ahhoz, hogy meg tudja különböztetni az érdeklődésre számot tartó jellemzőket. Ez a rács szögdiszperziójának és a rendszer gyújtótávolságának kombinációjával, valamint a rekesznyílás-szélesség korlátozásával érhető el.
A lineáris diszperzió a következő:
aholFa rendszer gyújtótávolsága.
Miután kiválasztottuk a gyújtótávolság és a rácsdiszperzió megfelelő kombinációját a kívánt rendszerfelbontás eléréséhez, el kell végezni egy utolsó tesztet: ellenőrizni kell, hogy a rácsnak elegendő felbontóképessége van-e. A felbontástól eltérően a felbontóképesség a rács tulajdonsága:
aholNa barázdák minimális száma, amelyet a fénynek ki kell ütnie. Egyszerűen fogalmazva, 1 nm 1 µm (1000:1) felbontásához legalább 1000 horonyra van szükség. Ezek az egyenletek elméleti határokat határoznak meg ideális feltételek mellett; A valódi hatások, például a képtorzítás csökkentik a tényleges teljesítményt.
Hatékonyság
A megfelelő horonytávolság meghatározása után a rács kiválasztása sokkal könnyebbé válik. Feltételezve, hogy a rácstávolság lefedi a teljes érdeklődésre számot tartó spektrális tartományt, a diffrakciós -hatékonysági görbék jó kiindulási pontot jelentenek. Válassza ki azt a rácsot, amely a legjobb hatékonyságot biztosítja a legkritikusabb hullámhosszokon, figyelembe véve a mintát, a forrás intenzitási profilját és a detektor válaszkészségét.
8. ábra Tipikus rácshatékonysági görbe.
Az abszolút hatásfok a beeső monokromatikus sugárzás kívánt sorrendbe diffrakciójának százalékos aránya. A relatív hatásfok összehasonlítja a kívánt sorrendbe elhajló energiát a ráccsal azonos anyaggal bevont síktükör energiájával. A relatív hatásfok görbéi mindig magasabbnak tűnnek, mint ugyanazon rács abszolút hatékonysági görbéi.
A hatékonysági görbéket általában Littrow-ban vagy Littrow-hoz közeli{0}}viszonyok között mérik. A Littrow konfigurációban a szórt sorrend és a vizsgált hullámhossz visszatér a beesési út mentén. A Littrow-tól való kis eltérések enyhén csökkentik a csúcshatékonyságot és korlátozzák a maximálisan elérhető hullámhosszt, de ritkán okoznak jelentős változást a teljesítményben.
A lángolás szöge és hullámhossza
A reflexiós rácsok esetében a hatékonyság a horony alakjának és a bevonat reflexiójának a szorzata. A vonalas rácshornyok fűrészfog profilúak, egyik oldala hosszabb, mint a másik. A horony hosszabb oldala és a rácssík közötti szög a lángolási szög. A lángolási szög megváltoztatása a szórt sugárzást egy meghatározott spektrális tartományba koncentrálja, javítva ott a hatékonyságot. A maximális hatásfok hullámhossza a lánghullámhossz.
A holografikus rácsok nem a klasszikus értelemben vett "lángoltak". Szinuszos alakjuk néha módosítható, hogy megközelítse a szabályos-rács hatékonyságát. Ha a térköz-/-hullámhosszarány közel egy, a szinuszos rácsnak közel ugyanolyan csúcshatékonysága lehet, mint egy szabályos rácsnak. Egy 1800 barázda/mm-es holografikus rács 500 nm-en megfelelhet egy zúzott vonalú rácsnak. Speciális eljárásokkal olyan holografikus rácsokat is előállíthatnak, amelyek fűrészfogprofilja megközelíti a 240 nm-es csúcsot, és ideális az alacsony{10}}szórt{11}}fényű UV-alkalmazásokhoz.
Diffrakciós sorrendek
Egy adott szöghalmazra és horonytávolságra a rácsegyenlet több hullámhosszon is érvényes, több diffrakciós rendet hozva létre. Például a 400 nm-es másod- sugárzás ugyanolyan szögben diffraktál, mint a 800 nm-es első-rendű sugárzás. A másodrendű fényt szűrni kell a 800 nm-es spektrális tisztaság megőrzése érdekében.
9. ábra A szabad spektrumtartomány csökken a diffrakciós sorrend növekedésével.
A szabad spektrális tartomány az a maximális spektrális sávszélesség, amely adott sorrendben elérhető, anélkül, hogy a szomszédos rendekből átfedés lenne. Ahogy a barázdatávolság csökken, a szabad spektrum tartomány növekszik; a sorrend növekedésével csökken:
Bevonatok
A gyakori fényvisszaverő bevonatok közé tartozik a csupasz alumínium, a védett alumínium és az arany. A csupasz alumínium gazdaságos és jól teljesít az UV-től az infravörösig. A védett alumínium vékony MgF₂ réteget ad, hogy megakadályozza az UV--elnyelő alumínium-oxid képződést. Az arany felülmúlja az alumíniumot a közeli infravörösben, különösen 700–1000 nm között, de meredeken csökken 600 nm alá. 1200 nm felett az arany és az alumínium görbék ismét konvergálnak.
10. ábra Alumínium (Al) és arany (Au) bevonatok fényvisszaverő képessége, beesési szög 0 fok .
Polarizáció
A rácsok nagyon eltérően viselkednek polarizált fény esetén. A véletlenszerűen polarizált beeső fény általában nem okoz komoly problémát, de a szórt fény némi polarizációs eltolódást mutat. A diffrakciós szög kicsiben tartása minimalizálja a polarizációs hatásokat. Az erőátviteli rácsok szinte kiküszöbölik ezt a problémát, mivel elkerülik a fémbevonatokat. Ha a bemenet polarizált, a tájolás nagymértékben számít,-a diffrakciós hatékonyság akár 10-szeres is lehet.
11. ábra. Példa arany-bevonat viselkedésére közeli-IR-reflexiós rácson.
12. ábra. A szóródás és a polarizációs érzékenység kapcsolata reflexiós rácsokban.
Kiválasztási ajánlások
- Amikor csak lehetséges, használjon kereskedelmi forgalomban lévő rácsokat,{0}}általában ez a leggazdaságosabb megoldás.
- Ha bizonytalan, forduljon szakképzett rácsgyártóhoz; az egyedi tervezések gyakran marginális haszonnal járnak.
- Hívja a gyártót, ha a közzétett adatok nem felelnek meg az Ön igényeinek,{0}}a közzétett adatok csak minták.
- Ne adjon túl-a mechanikai méreteket, különösen a vastagságtűréseket.
- Ne feltételezzen elméleti teljesítményt; a jó{0}}minőségű replikák általában elérik az elmélet 80–95%-át.
- Ne feltételezze, hogy a vonalas rácsok mindig rossz szórt fényt{0}}teljesítenek; a modern interferencia-szabályozás nagymértékben kiküszöböli a vezérlő{1}}gépi hibákat.
- Egyedi vonalú rácsoknál tartsa a hornyok gyakoriságát ~1500 mm⁻¹ vagy az alatt, hacsak nem feltétlenül szükséges.
