Дифракционни решетки

Оптични дисперсионни елементи · Спектроскопия · Лазери · Телекомуникации · Източник: PhotonLab

Дифракционните решетки са ключови оптични компоненти в широк спектър от приложения, включително спектрометри, други аналитични инструменти, телекомуникации и лазерни системи. Решетката съдържа микроскопична периодична жлебна структура, която разделя падащата светлина на множество пътеки на лъча чрез дифракция, което кара светлината с различни дължини на вълната да се разпространява в различни посоки. Това прави дифракционната решетка функционално подобна на дисперсионна призма, въпреки че призмата разделя дължините на вълните чрез-зависимо от дължината на вълната пречупване, а не дифракция (Фигура 1).

Фигура 1. Дисперсионната призма разделя дължините на вълните чрез пречупване (отгоре), докато дифракционната решетка разделя дължините на вълните чрез дифракция поради повърхностната си структура (отдолу).

Светлината, падаща върху решетка, се дифрагира съгласно уравнението на решетката:

тук,mе цяло число, описващо дифракционния (или спектралния) ред,λе дължината на вълната на светлината,dе разстоянието между жлебовете на решетката, е ъгълът на падане, и е ъгълът на дифракция на светлината, напускаща решетката. Конструктивна интерференция на различни дифрактирани вълнови фронтове възниква при цели кратни на дължината на вълната, поради което "m" се появява в уравнение (1).mопределя реда на дифракция:m= 1 се нарича дифракция от първи-порядък,m= 2 е дифракция от втори-порядък и т.н. (Фигура 2). Акоm= 0, светлината се отразява директно от решетката или се предава през нея, в зависимост от това дали е решетка за отражение или предаване; това се нарича дифракция от нулев-порядък. За разлика от дисперсионната призма, по-късите дължини на вълните винаги са по-близо до директно отразената или пропусната светлина-в този случай, 0-ти порядък. Съществува известно припокриване между различни поръчки. Всички ъгли се измерват от нормалата на решетката (перпендикулярна на решетката).

Фигура 2. Част от светлината се отразява директно като дифракция от 0-порядък, докато други части от падащата светлина се дифрактират в ъгли от първи-порядък в зависимост от дължината на вълната. По-малките количества се разделят на дифракция от 2-ри- и 3-ти-ред с по-висок-ъгъл.

Какво да вземете предвид при избора на решетка

Когато избирате решетка, е важно да посочите обхвата на дължината на вълната, дължината на вълната на пламъка (дължината на вълната с най-висока ефективност в дифракционния спектър) и ъгъла на пламване. Ъгълът на пламъка описва ъгъла на дифракция от първи-порядък на дължината на вълната на пламъка. При този ъгъл и в уравнение (1) са равни и падащата светлина се дифрагира обратно в посоката, от която идва. Това състояние се нарича още конфигурация на Littrow. Работата близо до този ъгъл дава най-висока ефективност.

Плътността на каналите или честотата на каналите обикновено се посочва. Това е обратното на разстоянието между жлебоветеd. Ключово свойство на оптичната система е нейната дисперсия, но това зависи както от свойствата на решетката, така и от това как се използва решетката. Без други подробности за системата, на решетката сама по себе си не може да бъде присвоено правило като „определено въртене съответства на определено разделяне на дължината на вълната“. Разделителната способност на решетката също може да бъде определена и тя се отнася до спектралната разделителна способност на системата. Тази разделителна способност обаче зависи както от решетката, така и от входните и изходните процепи на системата. Разделителната способност на решеткатаRзависи от спектралния редmи броя на браздите при осветяванеN:

Обикновено са осветени толкова много жлебове, че входните и изходните процепи-а не решетката-ограничават разделителната способност на системата. Кривите на ефективност могат също да се използват за проверка на нивото на дифракция във всички дължини на вълните, използвани в приложението.

Решетката трябва да бъде поне толкова голяма, колкото падащият светлинен конус или лъч; в противен случай светлината от краищата ще се загуби. Следователно, решетката винаги трябва да бъде недостатъчно запълнена, за да се предотврати отскачането на разсеяна светлина около системата и генерирането на фалшиви сигнали.

Видове решетки

Отражателни решетки срещу трансмисионни решетки

Двете най-широки категории са решетки за отражение и решетки за предаване. Фигури 1 и 2 показват отразяващи решетки: по същество огледала с микроскопични канали. Всички дифрактирани порядъци се отразяват от решетката под различни ъгли. Пропускателната решетка е като леща с микроскопични жлебове: всички дифрактирани порядъци преминават през решетката, но са компенсирани от ъглите, дадени в уравнение (1).

Правилни решетки срещу холографски решетки

Както отразяващите, така и предавателните решетки могат да бъдат допълнително разделени на решетки с линийки и холографски решетки, които се различават по начина, по който се създават профилите на каналите. В решетъчните решетки жлебовете са механично гравирани или изрязани в компонента. В холографските решетки браздите се въвеждат оптично: фоточувствителен материал, наречен фоторезист, се отлага върху субстрат и се излага на оптичен интерферентен модел. След това останалият фоторезист се отстранява химически, оставяйки решетъчния модел. Линейчатите решетки обикновено имат триъгълни жлебове (Фигура 3), докато холографските решетки обикновено имат синусоидални жлебове (Фигури 3 и 4).

Фигура 3. Линейчатите дифракционни решетки обикновено имат триъгълни жлебове. Стрелка върху решетката: посока на пламъка.

Фигура 4. Холографските дифракционни решетки обикновено имат синусоидални бразди.

Ешел решетки

Ешеловата решетка се характеризира с по-голямо разстояние на жлебовете или по-ниска плътност на браздите в сравнение с обикновените решетки-обикновено около 10×, а понякога и до 100×. Осветяването на ешелна решетка при висок ъгъл на падане ( ) води до висока дисперсия, висока разделителна способност и ниска поляризация-зависима ефективност. Тези решетки са много подходящи за приложения, изискващи висока разделителна способност, като чувствителни астрономически инструменти и системи, преследващи резолюция на атомно-ниво.

Равнинни решетки срещу вдлъбнати решетки

Всички горепосочени типове решетки могат допълнително да бъдат разделени на плоски решетки и вдлъбнати решетки, описвайки общата им форма. Плоските решетки са плоски и по-често срещани. Ако жлебовете са прави и на еднакво разстояние, решетката е плоска и падащата светлина е колимирана, тогава цялата дифрактирана светлина остава колимирана. Това е от полза в много приложения, тъй като фокусиращите свойства на системата стават независими от дължината на вълната. В сравнение с вдлъбнатите решетки, плоските решетки обикновено намаляват сложността на системата. Вдлъбнатите решетки са извити, така че те или се събират, или се отклоняват в светлината. Това е полезно за намаляване на общия брой оптични компоненти в една система, но след това фокусиращите свойства зависят от дължината на вълната.

Решетъчни приложения

Монохроматори

Монохроматорът използва вдлъбната или плоска решетка заедно с огледала, за да избере тясна лента от падащата светлина. Ако бял{1}}източник на светлина навлезе в такова устройство, той филтрира всички дължини на вълната с изключение на предназначената тясна изходна лента. Фигура 5 показва как монохроматорът завърта решетката, така че различните дължини на вълните да преминават през изходния процеп, докато всички други дължини на вълните са блокирани.

Фигура 5. Монохроматорът с плоска -решетка (отгоре) и монохроматорът с вдлъбната -решетка (отдолу) въртят решетката, за да сканират порядъците на дифракция през изходния процеп и точно определят кои дължини на вълната могат да напуснат устройството.

Спектрометри

Подобно на монохроматорите, спектрометрите разделят дължините на вълните на широколентов източник, но нямат движещи се части. Вместо това всички разделени дължини на вълните се изобразяват едновременно върху детекторна матрица (Фигура 6). Всяка дължина на вълната се изобразява върху различен набор от пиксели, което позволява на устройството да определи колко от всяка дължина на вълната съществува в широколентовия източник. Спектрометрите обикновено се използват, когато се изисква бърз спектрален анализ, тъй като няма нужда да се сканират дължини на вълните през детектор, спестявайки време.

Фигура 6. Спектрометърът с плоска -решетка (отгоре) и спектрометърът с вдлъбната -решетка (отдолу) използват фиксирана решетка за разделяне на падащи дължини на вълните върху различни пиксели на детекторна матрица.

Лазерна настройка

Има няколко начина за използване на дифракционна решетка, за да настроите спектралния изход на лазера или да стесните неговата изходна лента. Решетката може да се върти, така че само определен ред на дифракция да напуска лазера; решетката може да остане неподвижна, докато огледалото се върти, за да филтрира изходната лента; или решетката може да замени огледало вътре в лазера, за да стесни изходната лента (Фигура 7).

Фигура 7. Тези три настройки показват различни начини, по които решетката се използва за настройка на изходната дължина на вълната на лазера или за стесняване на обхвата на изходната дължина на вълната.

Лазерно импулсно разтягане, компресия и усилване

Късите лазерни импулси, като свръхбързите импулси, често имат висока пикова мощност, която може да повреди чувствителните оптични покрития и компоненти. За да се избегне това, понякога се използва двойка дифракционни решетки за разтягане на импулса, увеличавайки неговата продължителност и намалявайки пиковата му мощност. След това разтегнатият импулс може да премине през оптичен усилвател и да получи мощност, без да повреди оптични компоненти. Друга двойка решетки в обратна конфигурация може да компресира продължителността на импулса след усилване, произвеждайки кратък импулс с висока -мощност в целта (Фигура 8).

Фигура 8. Решетките могат да се използват в импулсни лазерни системи както за увеличаване на продължителността на импулса-предотвратяване на -предизвикано от лазера увреждане-и за намаляване на продължителността на импулса, произвеждайки високо-мощни импулси в целта.