Difraktsioonivõred

Optilised hajutavad elemendid · Spektroskoopia · Laserid · Telekommunikatsioon · Allikas: PhotonLab

Difraktsioonivõred on paljudes rakendustes, sealhulgas spektromeetrites, muudes analüütilistes instrumentides, telekommunikatsioonis ja lasersüsteemides, peamised optilised komponendid. Võre sisaldab mikroskoopilist perioodilist soonstruktuuri, mis jagab langeva valguse difraktsiooni kaudu mitmeks kiirteeks, põhjustades erineva lainepikkusega valguse levimist erinevates suundades. See muudab difraktsioonivõre funktsionaalselt sarnaseks hajutava prismaga, kuigi prisma eraldab lainepikkusi pigem lainepikkusest -sõltuva murdumise kui difraktsiooni järgi (joonis 1).

Joonis 1. Dispersioonprisma eraldab lainepikkusi murdumise teel (ülemine), difraktsioonvõre aga eraldab lainepikkusi difraktsiooni teel tänu oma pinnastruktuurile (alumine).

Võrele langev valgus difrakteeritakse vastavalt võrevõrrandile:

Siinmon täisarv, mis kirjeldab difraktsiooni (või spektri) järjekorda,λon valguse lainepikkus,don resti soonte vaheline kaugus, on langemisnurk ja on võrest väljuva valguse hajutatud nurk. Erinevate difraktsiooniga lainefrontide konstruktiivne interferents esineb lainepikkuse täisarvulistel kordadel, mistõttu "m" esineb võrrandis (1).mmäärab difraktsioonijärjestuse:m= 1 nimetatakse esimest-järku difraktsiooniks,m= 2 on teist-järku difraktsioon ja nii edasi (joonis 2). Kuim= 0, valgus peegeldub võrelt otse või kandub läbi selle, olenevalt sellest, kas tegemist on peegeldus- või ülekandevõrega; seda nimetatakse nulljärku-difraktsiooniks. Erinevalt dispergeerivast prismast on lühemad lainepikkused alati lähemal otse peegeldunud või läbiva valguse -sel juhul 0-ndat järku. Erinevate tellimuste vahel esineb teatav kattuvus. Kõik nurgad mõõdetakse võre normaalväärtusest (risti võrega).

Joonis 2. Osa valgust peegeldub otse 0-järgu difraktsioonina, samas kui teised langeva valguse osad hajuvad sõltuvalt lainepikkusest esimest-järku nurkadesse. Väiksemad summad jaotatakse kõrgemat-nurga 2.- ja 3.-järku difraktsiooniks.

Mida arvestada resti valimisel

Võre valimisel on oluline määrata lainepikkuse vahemik, blaze lainepikkus (lainepikkus, mille efektiivsus on difraktsioonispektris kõrgeim) ja blaze nurk. Leeknurk kirjeldab põlengu lainepikkuse esimest-järku difraktsiooninurka. Selle nurga all ja võrrandis (1) on võrdsed ning langev valgus hajub tagasi suunas, kust see tuli. Seda tingimust nimetatakse ka Littrow konfiguratsiooniks. Selle nurga lähedal töötamine annab kõrgeima efektiivsuse.

Tavaliselt määratakse soone tihedus või soone sagedus. See on soonte vahekauguse pöördväärtusd. Optilise süsteemi põhiomadus on selle dispersioon, kuid see sõltub nii võre omadustest kui ka sellest, kuidas võre kasutatakse. Ilma muude süsteemi üksikasjadeta ei saa ainult võrele määrata reeglit, näiteks "teatud pöörlemine vastab teatud lainepikkuse eraldusele". Samuti võib täpsustada võre lahutusvõimet ja see on seotud süsteemi spektraalse eraldusvõimega. See eraldusvõime sõltub aga nii restist kui ka süsteemi sisse- ja väljapääsupiludest. Võre lahutusvõimeRoleneb spektrijärjekorrastmja valgustatud soonte arvN:

Tavaliselt on valgustatud nii palju sooni, et süsteemi eraldusvõimet piiravad sisse- ja väljapääsupilud -mitte rest-. Tõhususe kõveraid saab kasutada ka difraktsioonitaseme kontrollimiseks kõigil rakenduses kasutatavatel lainepikkustel.

Võre peaks olema vähemalt sama suur kui langev valguskoonus või -kiir; muidu kaob servadest tulev valgus. Seetõttu tuleks võre alati alatäidetud, et vältida hajutatud valguse põrkumist süsteemi ümber ja valesignaalide tekitamist.

Restide tüübid

Peegeldusrestid vs ülekandevõred

Kaks kõige laiemat kategooriat on peegeldusvõred ja ülekandevõred. Joonistel 1 ja 2 on kujutatud peegeldusvõred: põhiliselt mikroskoopiliste soontega peeglid. Kõik hajutatud järjestused peegelduvad restilt erinevate nurkade all. Läbilaskevõre on nagu mikroskoopiliste soontega lääts: kõik hajutatud järjestused läbivad võre, kuid neid nihutavad võrrandis (1) toodud nurgad.

Joondatud võred vs holograafilised restid

Nii peegeldus- kui ka ülekandevõre võib jagada veel joonvõredeks ja holograafilisteks võredeks, mis erinevad sooneprofiilide loomise viisi poolest. Tüüritud restides graveeritakse või lõigatakse komponendisse mehaaniliselt sooned. Holograafilistes restides sisestatakse sooned optiliselt: substraadile kantakse valgustundlik materjal, mida nimetatakse fotoresistiks, ja eksponeeritakse optilise interferentsi mustriga. Ülejäänud fotoresist eemaldatakse seejärel keemiliselt, jättes alles resti mustri. Rullvõredel on tavaliselt kolmnurksed sooned (joonis 3), holograafilistel restidel aga sinusoidsed sooned (joonised 3 ja 4).

Joonis 3. Suunatud difraktsioonivõredel on tavaliselt kolmnurksed sooned. Nool restil: leegi suund.

Joonis 4. Holograafilistel difraktsioonivõredel on tavaliselt sinusoidsed sooned.

Echelle restid

Ešellresti iseloomustab suurem soonte vahe või väiksem soonte tihedus kui tavalistel restidel -tavaliselt umbes 10 × ja mõnikord kuni 100 ×. Ešellivõre valgustamine suure langemisnurgaga ( ) annab suure hajuvuse, kõrge eraldusvõime ja madala polarisatsioonist{4}}sõltuva efektiivsuse. Need restid sobivad hästi kõrget eraldusvõimet nõudvate rakenduste jaoks, nagu tundlikud astronoomilised instrumendid ja süsteemid, mis taotlevad aatomitasandil{6}}eraldusvõimet.

Tasapinnalised võred vs. nõgusad restid

Kõik ülaltoodud võretüübid võib lisaks jagada tasapindadeks ja nõgusateks võredeks, kirjeldades nende üldist kuju. Tasapinnalised restid on lamedad ja levinumad. Kui sooned on sirged ja võrdsete vahedega, võre on tasane ja langev valgus on kollimeeritud, siis jääb kogu hajutatud valgus kollimeeritud. See on kasulik paljudes rakendustes, kuna süsteemi teravustamisomadused muutuvad lainepikkusest sõltumatuks. Võrreldes nõgusate võredega vähendavad tasapinnalised restid tavaliselt ka süsteemi keerukust. Nõgusad võred on kumerad, nii et need kas koonduvad või hajutavad valgust. See on kasulik süsteemi optiliste komponentide koguarvu vähendamiseks, kuid teravustamisomadused sõltuvad siis lainepikkusest.

Võrerakendused

Monokromaatorid

Monokromaator kasutab langeva valguse hulgast kitsa riba valimiseks nõgusat või tasapinnalist võre koos peeglitega. Kui sellisesse seadmesse siseneb valge{1}}valgusallikas, filtreerib see välja kõik lainepikkused, välja arvatud kavandatud kitsas väljundriba. Joonis 5 näitab, kuidas monokromaator pöörab võre nii, et erinevad lainepikkused läbivad väljundpilu, samal ajal kui kõik muud lainepikkused on blokeeritud.

Joonis 5. Tasapinnaline-võre monokromaator (ülemine) ja nõgus-võre monokromaator (all) pööravad mõlemad võre, et skaneerida difraktsioonijärjestusi üle väljundpilu ja määrata täpselt, millised lainepikkused võivad seadmest lahkuda.

Spektromeetrid

Sarnaselt monokromaatoritega eraldavad spektromeetrid lairibaallika lainepikkusi, kuid neil pole liikuvaid osi. Selle asemel pildistatakse kõik eraldatud lainepikkused samaaegselt detektori massiivile (joonis 6). Iga lainepikkus kuvatakse erinevale pikslite komplektile, mis võimaldab seadmel määrata, kui palju igast lainepikkusest lairibaallikas on. Spektromeetreid kasutatakse tavaliselt siis, kui on vaja kiiret spektraalanalüüsi, kuna pole vaja skaneerida lainepikkusi detektoris, säästes aega.

Joonis 6. Tasapinnaline-võrespektromeeter (ülemine) ja nõgus-võrespektromeeter (all) kasutavad mõlemad fikseeritud võre, et eraldada langevad lainepikkused detektori massiivi erinevatele pikslitele.

Laseri häälestamine

Laseri spektraalväljundi häälestamiseks või selle väljundriba kitsendamiseks on difraktsioonvõre kasutamiseks mitu võimalust. Võre saab pöörata nii, et laserist väljub ainult kindel difraktsioonijärjekord; rest võib jääda paigale, kui peegel pöörleb väljundriba filtreerimiseks; või võre võib asendada laseri sees peegli, et kitsendada väljundriba (joonis 7).

Joonis 7. Need kolm seadistust näitavad erinevaid viise, kuidas võre kasutatakse laseri väljundlainepikkuse häälestamiseks või väljundlainepikkuse vahemiku kitsendamiseks.

Laserimpulsi venitamine, kokkusurumine ja võimendamine

Lühikestel laserimpulssidel, nagu ülikiired impulsid, on sageli kõrge tippvõimsus, mis võib kahjustada tundlikke optilisi katteid ja komponente. Selle vältimiseks kasutatakse mõnikord paari difraktsioonivõret impulsi venitamiseks, suurendades selle kestust ja vähendades selle tippvõimsust. Venitatud impulss võib seejärel läbida optilise võimendi ja saada võimsust ilma optilisi komponente kahjustamata. Teine vastupidises konfiguratsioonis olev võrepaar võib pärast võimendamist impulsi kestust kokku suruda, tekitades sihtmärgis lühikese, suure{3}}võimsusimpulsi (joonis 8).

Joonis 8. Võre saab kasutada impulsslasersüsteemides nii impulsi kestuse suurendamiseks-vältimaks laseri-indutseeritud kahjustusi- kui ka impulsi kestuse vähendamiseks, tekitades sihtmärgil suure-võimsusega impulsse.