Σχάρες περίθλασης

Οπτικά στοιχεία διασποράς · Φασματοσκοπία · Λέιζερ · Τηλεπικοινωνίες · Πηγή: PhotonLab

Τα πλέγματα περίθλασης είναι βασικά οπτικά εξαρτήματα σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των φασματόμετρων, άλλων αναλυτικών οργάνων, τηλεπικοινωνιών και συστημάτων λέιζερ. Ένα πλέγμα περιέχει μια μικροσκοπική περιοδική δομή αυλάκωσης που χωρίζει το προσπίπτον φως σε πολλαπλές διαδρομές δέσμης μέσω περίθλασης, προκαλώντας τη διάδοση του φωτός διαφορετικών μηκών κύματος προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Αυτό κάνει ένα πλέγμα περίθλασης λειτουργικά παρόμοιο με ένα πρίσμα διασποράς, αν και ένα πρίσμα διαχωρίζει τα μήκη κύματος κατά μήκος κύματος-εξαρτώμενη διάθλαση αντί περίθλασης (Εικόνα 1).

Σχήμα 1. Ένα πρίσμα διασποράς διαχωρίζει τα μήκη κύματος με διάθλαση (πάνω), ενώ ένα πλέγμα περίθλασης διαχωρίζει μήκη κύματος με περίθλαση λόγω της δομής της επιφάνειας του (κάτω).

Το φως που προσπίπτει σε ένα πλέγμα διαθλάται σύμφωνα με την εξίσωση πλέγματος:

Εδώ,mείναι ένας ακέραιος που περιγράφει τη σειρά περίθλασης (ή φασματικής),λείναι το μήκος κύματος του φωτός,dείναι η απόσταση μεταξύ των αυλακώσεων στο πλέγμα, είναι η γωνία πρόσπτωσης, και είναι η γωνία διάθλασης του φωτός που εξέρχεται από το πλέγμα. Η εποικοδομητική παρεμβολή διαφορετικών περιθλαμένων μετώπων κύματος εμφανίζεται σε ακέραια πολλαπλάσια του μήκους κύματος, γι' αυτό το "m" εμφανίζεται στην Εξίσωση (1).mορίζει τη σειρά περίθλασης:mΤο=1 ονομάζεται περίθλαση πρώτης-τάξης,mΤο=2 είναι περίθλαση δεύτερης-τάξης και ούτω καθεξής (Εικόνα 2). Ανm= 0, το φως είτε ανακλάται απευθείας από το πλέγμα είτε μεταδίδεται μέσω αυτού, ανάλογα με το εάν πρόκειται για πλέγμα ανάκλασης ή μετάδοσης. αυτό ονομάζεται περίθλαση μηδενικής-τάξης. Σε αντίθεση με ένα πρίσμα διασποράς, τα μικρότερα μήκη κύματος είναι πάντα πιο κοντά στο άμεσα ανακλώμενο ή εκπεμπόμενο φως-σε αυτήν την περίπτωση, την 0η τάξη. Υπάρχει κάποια επικάλυψη μεταξύ διαφορετικών παραγγελιών. Όλες οι γωνίες μετρώνται από το πλέγμα κανονικό (κάθετο στο πλέγμα).

Σχήμα 2. Κάποιο φως ανακλάται απευθείας ως περίθλαση 0ης-τάξης, ενώ άλλα μέρη του προσπίπτοντος φωτός περιθλάσσονται σε γωνίες πρώτης-τάξης ανάλογα με το μήκος κύματος. Τα μικρότερα ποσά χωρίζονται σε περίθλαση υψηλότερης-γωνίας 2ης- και 3ης-τάξης.

Τι πρέπει να λάβετε υπόψη όταν επιλέγετε μια σχάρα

Όταν επιλέγετε ένα πλέγμα, είναι σημαντικό να προσδιορίσετε το εύρος μήκους κύματος, το μήκος κύματος λάμψης (το μήκος κύματος με την υψηλότερη απόδοση στο φάσμα διάθλασης) και τη γωνία λάμψης. Η γωνία λάμψης περιγράφει την πρώτη-γωνία περίθλασης τάξης του μήκους κύματος της φλόγας. Σε αυτή τη γωνία, και στην εξίσωση (1) είναι ίσα, και το προσπίπτον φως διαθλάται προς την κατεύθυνση από την οποία προήλθε. Αυτή η συνθήκη ονομάζεται επίσης διαμόρφωση Littrow. Η λειτουργία κοντά σε αυτή τη γωνία δίνει την υψηλότερη απόδοση.

Η πυκνότητα αυλάκωσης ή η συχνότητα αυλάκωσης καθορίζεται συνήθως. Είναι το αντίστροφο της απόστασης των αυλακώσεωνd. Μια βασική ιδιότητα ενός οπτικού συστήματος είναι η διασπορά του, αλλά αυτό εξαρτάται τόσο από τις ιδιότητες του πλέγματος όσο και από τον τρόπο χρήσης του πλέγματος. Χωρίς άλλες λεπτομέρειες συστήματος, σε ένα πλέγμα μόνο δεν μπορεί να εκχωρηθεί ένας κανόνας όπως "μια συγκεκριμένη περιστροφή αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο διαχωρισμό μήκους κύματος". Η ισχύς διαχωρισμού ενός πλέγματος μπορεί επίσης να καθοριστεί και σχετίζεται με τη φασματική ανάλυση του συστήματος. Ωστόσο, αυτή η ανάλυση εξαρτάται τόσο από το πλέγμα όσο και από τις σχισμές εισόδου και εξόδου του συστήματος. Η ικανότητα διαχωρισμού του πλέγματοςRεξαρτάται από τη φασματική σειράmκαι τον αριθμό των αυλακώσεων υπό φωτισμόN:

Συνήθως φωτίζονται τόσες πολλές αυλακώσεις που οι σχισμές εισόδου και εξόδου-όχι το πλέγμα-περιορίζουν την ανάλυση του συστήματος. Οι καμπύλες απόδοσης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επαλήθευση του επιπέδου περίθλασης σε όλα τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή.

Μια σχάρα πρέπει να είναι τουλάχιστον τόσο μεγάλη όσο ο προσπίπτων κώνος φωτός ή η δέσμη. διαφορετικά το φως από τις άκρες θα χαθεί. Επομένως, μια σχάρα θα πρέπει πάντα να είναι υπογεμισμένη για να αποτρέψει το αδέσποτο φως να αναπηδήσει γύρω από το σύστημα και να δημιουργήσει ψευδή σήματα.

Τύποι Σχάρων

Σχάρες ανάκλασης έναντι σχάρες μετάδοσης

Οι δύο ευρύτερες κατηγορίες είναι οι σχάρες ανάκλασης και οι σχάρες μετάδοσης. Τα σχήματα 1 και 2 δείχνουν πλέγματα ανάκλασης: ουσιαστικά καθρέφτες με μικροσκοπικές αυλακώσεις. Όλες οι εντολές περίθλασης αντανακλώνται από το πλέγμα σε διαφορετικές γωνίες. Ένα πλέγμα μετάδοσης είναι σαν ένας φακός με μικροσκοπικές αυλακώσεις: όλες οι εντολές περίθλασης περνούν μέσα από το πλέγμα, αλλά αντισταθμίζονται από τις γωνίες που δίνονται στην Εξίσωση (1).

Κανονιζόμενες σχάρες έναντι ολογραφικών σχάρων

Τόσο οι σχάρες ανάκλασης όσο και οι σχάρες μετάδοσης μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε σχάρες με κανόνα και ολογραφικές σχάρες, οι οποίες διαφέρουν ως προς τον τρόπο δημιουργίας των προφίλ αυλακώσεων. Στις σχάρες με χάραξη, οι αυλακώσεις χαράσσονται μηχανικά ή κόβονται στο εξάρτημα. Στις ολογραφικές σχάρες, οι αυλακώσεις εισάγονται οπτικά: ένα φωτοευαίσθητο υλικό που ονομάζεται φωτοανθεκτικό εναποτίθεται σε ένα υπόστρωμα και εκτίθεται σε ένα σχέδιο οπτικής παρεμβολής. Το υπόλοιπο φωτοανθεκτικό στη συνέχεια αφαιρείται χημικά, αφήνοντας το σχέδιο του τριψίματος. Οι σχάρες με χάραξη έχουν συνήθως τριγωνικές αυλακώσεις (Εικόνα 3), ενώ οι ολογραφικές σχάρες έχουν συνήθως ημιτονοειδείς αυλακώσεις (Εικόνες 3 και 4).

Σχήμα 3. Τα πλέγματα περίθλασης με κανόνα έχουν συνήθως τριγωνικές αυλακώσεις. Βέλος στη σχάρα: κατεύθυνση της φλόγας.

Σχήμα 4. Οι ολογραφικές σχάρες περίθλασης έχουν τυπικά ημιτονοειδείς αυλακώσεις.

Echelle Gratings

Ένα πλέγμα echelle χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη απόσταση αυλακώσεων ή μικρότερη πυκνότητα αυλακώσεων από τα συνηθισμένα πλέγματα-συνήθως περίπου 10× και μερικές φορές έως και 100×. Ο φωτισμός ενός πλέγματος echelle σε υψηλή γωνία πρόσπτωσης ( ) παράγει υψηλή διασπορά, υψηλή ανάλυση και χαμηλή{4}}απόδοση που εξαρτάται από την πόλωση. Αυτά τα πλέγματα είναι κατάλληλα για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ανάλυση, όπως ευαίσθητα αστρονομικά όργανα και συστήματα που επιδιώκουν ανάλυση ατομικού- επιπέδου.

Επίπεδες σχάρες έναντι κοίλων σχάρων

Όλοι οι παραπάνω τύποι σχάρας μπορούν περαιτέρω να χωριστούν σε επίπεδες σχάρες και σε κοίλες σχάρες, περιγράφοντας το συνολικό τους σχήμα. Οι επίπεδες σχάρες είναι επίπεδες και πιο συνηθισμένες. Εάν οι αυλακώσεις είναι ευθείες και σε ίση απόσταση, το πλέγμα είναι επίπεδο και το προσπίπτον φως είναι ευθυγραμμισμένο, τότε όλο το περιθλαμένο φως παραμένει ευθυγραμμισμένο. Αυτό είναι ευεργετικό σε πολλές εφαρμογές επειδή οι ιδιότητες εστίασης του συστήματος γίνονται ανεξάρτητες από το μήκος κύματος. Σε σύγκριση με τις κοίλες σχάρες, οι επίπεδες σχάρες συνήθως μειώνουν επίσης την πολυπλοκότητα του συστήματος. Οι κοίλες σχάρες είναι καμπύλες, επομένως είτε συγκλίνουν είτε αποκλίνουν το φως. Αυτό είναι χρήσιμο για τη μείωση του συνολικού αριθμού των οπτικών στοιχείων σε ένα σύστημα, αλλά οι ιδιότητες εστίασης στη συνέχεια εξαρτώνται από το μήκος κύματος.

Εφαρμογές τριψίματος

Μονοχρωματιστές

Ένας μονόχρωμος χρησιμοποιεί ένα κοίλο ή επίπεδο πλέγμα μαζί με καθρέφτες για να επιλέξει μια στενή ταινία από το προσπίπτον φως. Εάν μια λευκή-πηγή φωτός εισέλθει σε μια τέτοια συσκευή, φιλτράρει όλα τα μήκη κύματος εκτός από την προβλεπόμενη στενή ζώνη εξόδου. Το σχήμα 5 δείχνει πώς ένας μονόχρωμος περιστρέφει το πλέγμα έτσι ώστε διαφορετικά μήκη κύματος να περνούν από τη σχισμή εξόδου ενώ όλα τα άλλα μήκη κύματος είναι μπλοκαρισμένα.

Σχήμα 5. Ο επίπεδος-μονόχρωμος εσχάρας (πάνω) και ο κοίλος-μονόχρωμος πλέγματος (κάτω) περιστρέφουν το πλέγμα για σάρωση εντολών περίθλασης κατά μήκος της σχισμής εξόδου και προσδιορίζουν με ακρίβεια ποια μήκη κύματος μπορεί να φύγουν από τη συσκευή.

Φασματόμετρα

Όπως οι μονοχρωμάτες, τα φασματόμετρα διαχωρίζουν τα μήκη κύματος μιας ευρυζωνικής πηγής, αλλά δεν έχουν κινούμενα μέρη. Αντίθετα, όλα τα διαχωρισμένα μήκη κύματος απεικονίζονται ταυτόχρονα σε μια διάταξη ανιχνευτή (Εικόνα 6). Κάθε μήκος κύματος απεικονίζεται σε διαφορετικό σύνολο εικονοστοιχείων, επιτρέποντας στη συσκευή να προσδιορίσει πόσο από κάθε μήκος κύματος υπάρχει στην ευρυζωνική πηγή. Τα φασματόμετρα χρησιμοποιούνται συνήθως όταν απαιτείται γρήγορη φασματική ανάλυση, επειδή δεν υπάρχει ανάγκη σάρωσης μήκη κύματος σε έναν ανιχνευτή, εξοικονομώντας χρόνο.

Εικόνα 6. Το επίπεδο-φασματόμετρο εσχάρας (επάνω) και το κοίλο-φασματόμετρο πλέγματος (κάτω) χρησιμοποιούν ένα σταθερό πλέγμα για να διαχωρίσουν τα προσπίπτοντα μήκη κύματος σε διαφορετικά εικονοστοιχεία μιας συστοιχίας ανιχνευτών.

Συντονισμός λέιζερ

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να χρησιμοποιήσετε ένα πλέγμα περίθλασης για να συντονίσετε τη φασματική έξοδο ενός λέιζερ ή να περιορίσετε τη ζώνη εξόδου του. Το πλέγμα μπορεί να περιστραφεί έτσι ώστε μόνο μια συγκεκριμένη σειρά περίθλασης να φεύγει από το λέιζερ. το πλέγμα μπορεί να παραμείνει ακίνητο ενώ ένας καθρέφτης περιστρέφεται για να φιλτράρει τη ζώνη εξόδου. ή το πλέγμα μπορεί να αντικαταστήσει έναν καθρέφτη μέσα στο λέιζερ για να περιορίσει τη ζώνη εξόδου (Εικόνα 7).

Εικόνα 7. Αυτές οι τρεις ρυθμίσεις δείχνουν διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους χρησιμοποιείται ένα πλέγμα για να συντονίσει το μήκος κύματος εξόδου λέιζερ ή να περιορίσει το εύρος μήκους κύματος εξόδου.

Διάταση, συμπίεση και ενίσχυση παλμών λέιζερ

Οι σύντομοι παλμοί λέιζερ, όπως οι εξαιρετικά γρήγοροι παλμοί, έχουν συχνά υψηλή ισχύ αιχμής που μπορεί να καταστρέψουν ευαίσθητες οπτικές επιστρώσεις και εξαρτήματα. Για να αποφευχθεί αυτό, μερικές φορές χρησιμοποιείται ένα ζεύγος δικτυωμάτων περίθλασης για να τεντώσει τον παλμό, αυξάνοντας τη διάρκειά του και μειώνοντας την μέγιστη ισχύ του. Ο τεντωμένος παλμός μπορεί στη συνέχεια να περάσει μέσα από έναν οπτικό ενισχυτή και να αποκτήσει ισχύ χωρίς να καταστρέψει κανένα οπτικό στοιχείο. Ένα άλλο ζεύγος σχάρας στην αντίστροφη διαμόρφωση μπορεί να συμπιέσει τη διάρκεια του παλμού μετά την ενίσχυση, παράγοντας ένα σύντομο,-παλμό υψηλής ισχύος στον στόχο (Εικόνα 8).

Σχήμα 8. Οι σχάρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα παλμικού λέιζερ τόσο για την αύξηση της διάρκειας παλμού-προλαμβάνοντας-ζημία που προκαλείται από το λέιζερ-και για τη μείωση της διάρκειας παλμού, παράγοντας παλμούς υψηλής-ισχύς στον στόχο.