Rețele de difracție

Elemente optice dispersive · Spectroscopie · Lasere · Telecom · Sursa: PhotonLab

Rețelele de difracție sunt componente optice cheie într-o gamă largă de aplicații, inclusiv spectrometre, alte instrumente analitice, telecomunicații și sisteme laser. Un grătar conține o structură microscopică cu canale periodice care împarte lumina incidentă în mai multe căi ale fasciculului prin difracție, determinând propagarea luminii cu lungimi de undă diferite în direcții diferite. Acest lucru face ca o rețea de difracție să fie similară funcțional cu o prismă dispersivă, deși o prismă separă lungimile de undă prin refracția dependentă de lungimea de undă-mai degrabă decât prin difracție (Figura 1).

Figura 1. O prismă dispersivă separă lungimile de undă prin refracție (sus), în timp ce o rețea de difracție separă lungimile de undă prin difracție datorită structurii sale de suprafață (jos).

Lumina incidentă pe o rețea este difractată conform ecuației rețelei:

Aici,meste un număr întreg care descrie ordinea de difracție (sau spectrală),λeste lungimea de undă a luminii,deste distanța dintre canelurile de pe grătar, este unghiul de incidență și este unghiul difractat al luminii care părăsește rețeaua. Interferența constructivă a diferitelor fronturi de undă difractate are loc la multipli întregi ai lungimii de undă, motiv pentru care „m” apare în ecuația (1).mdefinește ordinea de difracție:m= 1 se numește difracție-de ordinul întâi,m= 2 este difracția-de ordinul doi și așa mai departe (Figura 2). Dacăm= 0, lumina este fie reflectată direct din rețea, fie transmisă prin acesta, în funcție de faptul că este un rețea de reflexie sau de transmisie; aceasta se numește difracție-zero. Spre deosebire de o prismă dispersivă, lungimile de undă mai scurte sunt întotdeauna mai aproape de lumina reflectată sau transmisă direct-în acest caz, de ordinul 0. Există unele suprapuneri între diferite ordine. Toate unghiurile sunt măsurate de la normala rețelei (perpendiculară pe rețea).

Figura 2. O parte din lumină este reflectată direct ca difracție de ordinul -0, în timp ce alte părți ale luminii incidente sunt difractate în unghiuri de ordinul întâi, în funcție de lungimea de undă. Cantitățile mai mici sunt separate în-unghiul mai mare de difracție de ordinul 2- și 3-.

Ce să țineți cont atunci când alegeți un grătar

Atunci când selectați o rețea, este important să specificați intervalul de lungimi de undă, lungimea de undă de ardere (lungimea de undă cu cea mai mare eficiență în spectrul difractat) și unghiul de ardere. Unghiul de ardere descrie unghiul de-difracție de ordinul întâi al lungimii de undă de ardere. La acest unghi, și în ecuația (1) sunt egale, iar lumina incidentă este difractată înapoi în direcția din care a venit. Această condiție se mai numește și configurația Littrow. Operarea aproape de acest unghi oferă cea mai mare eficiență.

Densitatea canelurii, sau frecvența canelurii, este de obicei specificată. Este inversul distanței dintre canelurid. O proprietate cheie a unui sistem optic este dispersia acestuia, dar aceasta depinde atât de proprietățile rețelei, cât și de modul în care este utilizat. Fără alte detalii de sistem, unui grătar singur nu i se poate atribui o regulă precum „o anumită rotație corespunde unei anumite lungimi de undă de separare”. Puterea de rezoluție a rețelei poate fi, de asemenea, specificată și se referă la rezoluția spectrală a sistemului. Cu toate acestea, această rezoluție depinde atât de grilaj, cât și de fantele de intrare și de ieșire ale sistemului. Puterea de rezoluție a grătaruluiRdepinde de ordinea spectralămși numărul de caneluri sub iluminareN:

De obicei, sunt iluminate atât de multe caneluri încât fantele de intrare și de ieșire-nu grătarul-limitează rezoluția sistemului. Curbele de eficiență pot fi, de asemenea, utilizate pentru a verifica nivelul de difracție pe toate lungimile de undă utilizate în aplicație.

Un grătar trebuie să fie cel puțin la fel de mare ca conul sau fasciculul de lumină incidentă; altfel lumina de la margini se va pierde. Prin urmare, un grătar ar trebui să fie întotdeauna subumplut pentru a preveni lumina parazită să sară în jurul sistemului și să genereze semnale false.

Tipuri de grătare

Rețele de reflexie vs. Rețele de transmisie

Cele mai largi două categorii sunt rețelele de reflexie și rețelele de transmisie. Figurile 1 și 2 prezintă rețele de reflexie: în esență oglinzi cu șanțuri microscopice. Toate ordinele difractate se reflectă din rețea în unghiuri diferite. Un rețele de transmisie este ca o lentilă cu șanțuri microscopice: toate ordinele difractate trec prin rețea, dar sunt compensate de unghiurile date în ecuația (1).

Grătare reglate vs. grătare holografice

Atât grătarele de reflexie, cât și cele de transmisie pot fi împărțite în continuare în grătare riglate și grătare holografice, care diferă în modul în care sunt create profilele canelurilor. În grătarele rilate, canelurile sunt gravate mecanic sau tăiate în componentă. În rețelele holografice, canelurile sunt introduse optic: un material fotosensibil numit fotorezist este depus pe un substrat și expus unui model de interferență optică. Fotorezistul rămas este apoi îndepărtat chimic, lăsând modelul de grătare. Grilajele rigle au de obicei caneluri triunghiulare (Figura 3), în timp ce grătarele holografice au de obicei caneluri sinusoidale (Figurile 3 și 4).

Figura 3. Rețelele de difracție reglate au de obicei caneluri triunghiulare. Săgeată pe grătar: direcția focului.

Figura 4. Rețelele de difracție holografică au de obicei șanțuri sinusoidale.

Echelle Gratings

Un grătar echelle este caracterizat printr-o distanță mai mare a canelurilor sau o densitate mai mică a canelurilor decât grătarele obișnuite-de obicei aproximativ 10× și uneori până la 100×. Iluminarea unei rețele echelle la un unghi mare de incidență ( ) produce dispersie mare, rezoluție înaltă și eficiență dependentă de polarizare-scăzută. Aceste rețele sunt potrivite pentru aplicațiile care necesită rezoluție înaltă, cum ar fi instrumentele astronomice sensibile și sistemele care urmăresc rezoluție la nivel-atomic.

Gratare plane vs. Gratare concave

Toate tipurile de grătare de mai sus pot fi împărțite în continuare în grătare plane și grătare concave, descriind forma lor generală. Grilajele plane sunt plate și mai frecvente. Dacă șanțurile sunt drepte și egal distanțate, grătarul este plat, iar lumina incidentă este colimată, atunci toată lumina difractată rămâne colimată. Acest lucru este benefic în multe aplicații deoarece proprietățile de focalizare ale sistemului devin independente de lungimea de undă. În comparație cu grătarele concave, grătarele plane reduc de obicei complexitatea sistemului. Grilajele concave sunt curbate, astfel încât fie converg, fie diverg lumina. Acest lucru este util pentru reducerea numărului total de componente optice dintr-un sistem, dar proprietățile de focalizare depind apoi de lungimea de undă.

Aplicații de grătare

Monocromatoare

Un monocromator folosește un grătar concav sau plan împreună cu oglinzi pentru a selecta o bandă îngustă din lumina incidentă. Dacă o sursă-de lumină albă intră într-un astfel de dispozitiv, aceasta filtrează toate lungimile de undă, cu excepția benzii de ieșire înguste dorite. Figura 5 arată cum un monocromator rotește rețeaua astfel încât diferite lungimi de undă trec prin fanta de ieșire în timp ce toate celelalte lungimi de undă sunt blocate.

Figura 5. Monocromatorul plan-rețelei (sus) și monocromatorul-concav (jos) rotesc rețeaua pentru a scana ordinele de difracție prin fanta de ieșire și pentru a determina cu precizie ce lungimi de undă pot părăsi dispozitivul.

Spectrometre

La fel ca monocromatoarele, spectrometrele separă lungimile de undă ale unei surse de bandă largă, dar nu au părți mobile. În schimb, toate lungimile de undă separate sunt fotografiate simultan pe o matrice de detectoare (Figura 6). Fiecare lungime de undă este imaginea pe un set diferit de pixeli, permițând dispozitivului să determine cât de mult din fiecare lungime de undă există în sursa de bandă largă. Spectrometrele sunt utilizate în mod obișnuit atunci când este necesară o analiză spectrală rapidă, deoarece nu este nevoie să scanați lungimile de undă peste un detector, economisind timp.

Figura 6. Spectrometrul cu rețea plan-(sus) și spectrometrul cu rețea-concav (jos) folosesc ambele o rețea fixă ​​pentru a separa lungimile de undă incidente pe diferiți pixeli ai unei matrice de detectoare.

Reglaj laser

Există mai multe modalități de a utiliza un rețele de difracție pentru a regla ieșirea spectrală a unui laser sau pentru a îngusta banda de ieșire a acestuia. Rețeaua poate fi rotită astfel încât doar o anumită ordine de difracție să părăsească laserul; grătarul poate rămâne staționar în timp ce o oglindă se rotește pentru a filtra banda de ieșire; sau grătarul poate înlocui o oglindă în interiorul laserului pentru a îngusta banda de ieșire (Figura 7).

Figura 7. Aceste trei configurații arată diferite moduri în care un rețea este utilizat pentru a regla lungimea de undă de ieșire a laserului sau pentru a restrânge intervalul de lungimi de undă de ieșire.

Întindere, compresie și amplificare cu puls laser

Impulsurile laser scurte, cum ar fi impulsurile ultrarapide, au adesea o putere de vârf mare care poate deteriora acoperirile și componentele optice sensibile. Pentru a evita acest lucru, o pereche de rețele de difracție este uneori folosită pentru a întinde pulsul, crescându-i durata și reducându-i puterea de vârf. Pulsul întins poate trece apoi printr-un amplificator optic și poate câștiga putere fără a deteriora componentele optice. O altă pereche de rețele în configurație inversă poate comprima durata pulsului după amplificare, producând un impuls scurt, de mare-putere la țintă (Figura 8).

Figura 8. Rețelele pot fi utilizate în sistemele cu laser cu impulsuri atât pentru a crește durata impulsului-prevenirea deteriorării-induse de laser-, cât și pentru a reduce durata impulsului, producând impulsuri-de putere mare la țintă.