Grads tad-diffrazzjoni

Elementi dispersivi ottiċi · Spettroskopija · Lejżers · Telekomunikazzjoni · Sors: PhotonLab

Il-gradilja tad-diffrazzjoni huma komponenti ottiċi ewlenin f'firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet, inklużi spettrometri, strumenti analitiċi oħra, telekomunikazzjonijiet u sistemi tal-lejżer. Ħakk fih struttura mikroskopika ta 'kanal perjodiku li taqsam id-dawl inċidentali f'mogħdijiet tar-raġġ multipli permezz tad-diffrazzjoni, u tikkawża dawl ta' wavelengths differenti biex jinfirex f'direzzjonijiet differenti. Dan jagħmel gradilja tad-diffrazzjoni funzjonalment simili għal priżma dispersiva, għalkemm priżma tifred wavelengths b'wavelength-rifrazzjoni dipendenti aktar milli diffrazzjoni (Figura 1).

Figura 1. Priżma dispersiva tifred wavelengths b'rifrazzjoni (fuq), filwaqt li gradilja ta 'diffrazzjoni tifred wavelengths permezz ta' diffrazzjoni minħabba l-istruttura tal-wiċċ tagħha (qiegħ).

L-inċident tad-dawl fuq gradilja jiġi diffrattat skont l-ekwazzjoni tal-ħakk:

Hawnhekk,mhuwa numru sħiħ li jiddeskrivi l-ordni tad-diffrazzjoni (jew spettrali),λhuwa l-wavelength tad-dawl,dhuwa l-ispazjar bejn skanalaturi fuq il-ħakk, huwa l-angolu ta 'inċidenza, u huwa l-angolu diffratted tad-dawl li jħalli l-ħakk. Interferenza kostruttiva ta' fronti tal-mewġ diffracted differenti sseħħ f'multipli interi tal-wavelength, u huwa għalhekk li "m" tidher fl-Ekwazzjoni (1).mjiddefinixxi l-ordni tad-diffrazzjoni:m= 1 jissejjaħ diffrazzjoni tal-ewwel-ordni,m= 2 hija diffrazzjoni tat-tieni-ordni, u l-bqija (Figura 2). Jekkm= 0, id-dawl huwa jew rifless direttament mill-gradilja jew trażmessa minnha, skond jekk huwiex gradilja riflessjoni jew trasmissjoni; din tissejjaħ diffrazzjoni ta' ordni żero-. B'differenza minn priżma dispersiva, wavelengths iqsar huma dejjem eqreb tad-dawl rifless jew trasmess direttament-f'dan il-każ, l-0 ordni. Teżisti xi koinċidenza bejn ordnijiet differenti. L-angoli kollha huma mkejla mill-ħakk normali (perpendikulari mal-ħakk).

Figura 2. Xi dawl jiġi rifless direttament bħala diffrazzjoni tal-0-ordni, filwaqt li partijiet oħra tad-dawl inċidentali jiġu diffrattati f'angoli tal-ewwel-ordni skont il-wavelength. Ammonti iżgħar huma separati f'diffrazzjoni tal--angolu tat-2- u t-3-ordni.

X'għandek tikkonsidra meta tagħżel ħakk

Meta tagħżel gradilja, huwa importanti li tispeċifika l-medda tal-wavelength, il-wavelength blaze (il-wavelength bl-ogħla effiċjenza fl-ispettru diffracted), u l-angolu blaze. L-angolu tal-blaze jiddeskrivi l-angolu ta' diffrazzjoni tal-ewwel-ordni tal-wavelength tal-blaze. F'dan l-angolu, u fl-Ekwazzjoni (1) huma ugwali, u d-dawl inċidentali huwa diffratted lura fid-direzzjoni minn fejn ġie. Din il-kundizzjoni tissejjaħ ukoll il-konfigurazzjoni Littrow. It-tħaddim qrib dan l-angolu jagħti l-ogħla effiċjenza.

Id-densità tal-kanal, jew il-frekwenza tal-kanal, hija ġeneralment speċifikata. Huwa l-invers tal-ispazjar tal-kanald. Proprjetà ewlenija ta 'sistema ottika hija t-tixrid tagħha, iżda dan jiddependi kemm fuq il-proprjetajiet tal-ħakk u kif jintuża l-ħakk. Mingħajr dettalji oħra tas-sistema, ħakk waħdu ma jistax jiġi assenjat regola bħal "ċerta rotazzjoni tikkorrispondi għal ċerta separazzjoni ta 'wavelength." Il-qawwa ta 'riżoluzzjoni ta' gradilja tista 'tiġi speċifikata wkoll, u hija relatata mar-riżoluzzjoni spettrali tas-sistema. Madankollu, din ir-riżoluzzjoni tiddependi kemm fuq il-ħakk u l-qasmiet tad-dħul u l-ħruġ tas-sistema. Il-qawwa ta' riżoluzzjoni tal-ħakkRjiddependi fuq l-ordni spettralimu n-numru ta 'skanalaturi taħt illuminazzjoniN:

Normalment tant skanalaturi huma illuminati li l-qasmiet tad-dħul u tal-ħruġ-mhux il-ħakk-tillimitaw ir-riżoluzzjoni tas-sistema. Il-kurvi tal-effiċjenza jistgħu jintużaw ukoll biex jivverifikaw il-livell tad-diffrazzjoni fil-wavelengths kollha użati fl-applikazzjoni.

Ħakk għandu jkun mill-inqas kbir daqs il-kon jew raġġ tad-dawl inċidentali; inkella jintilef id-dawl mit-truf. Għalhekk, gradilja għandha dejjem tkun mimlija biżżejjed biex tipprevjeni li d-dawl mitluf imur lura madwar is-sistema u jiġġenera sinjali foloz.

Tipi ta' gradilji

Gratings ta’ Riflessjoni vs Gratings ta’ Trażmissjoni

L-aktar żewġ kategoriji wesgħin huma gradilji ta 'riflessjoni u gradilji ta' trasmissjoni. Il-Figuri 1 u 2 juru gradilji ta 'riflessjoni: essenzjalment mirja bi skanalaturi mikroskopiċi. L-ordnijiet kollha diffracted jirriflettu mill-ħakk f'angoli differenti. Grating ta 'trażmissjoni huwa bħal lenti bi skanalaturi mikroskopiċi: l-ordnijiet kollha diffracted jgħaddu mill-gradilja, iżda huma kkumpensati mill-angoli mogħtija fl-Ekwazzjoni (1).

Grads immexxija vs Gratings olografiċi

Kemm gradilji ta 'riflessjoni kif ukoll ta' trasmissjoni jistgħu jinqasmu aktar fi gradilji rregolati u gradilji olografiċi, li huma differenti fil-mod kif jinħolqu l-profili tal-kanal. Fi gradilji regolati, skanalaturi huma mnaqqxa mekkanikament jew maqtugħa fil-komponent. Fi gradilji olografiċi, skanalaturi huma introdotti ottikament: materjal fotosensittiv imsejjaħ photoresist jiġi depożitat fuq sottostrat u espost għal mudell ta 'interferenza ottika. Il-fotoresist li jifdal imbagħad jitneħħa kimikament, u jħalli l-mudell tal-ħakk. Il-gradilja rregolati normalment ikollhom skanalaturi trijangolari (Figura 3), filwaqt li gradilji olografiċi normalment ikollhom skanalaturi sinusojdali (Figuri 3 u 4).

Figura 3. Grads ta 'diffrazzjoni regolata tipikament għandhom skanalaturi trijangolari. Vleġġa fuq il-ħakk: direzzjoni tan-nar.

Figura 4. Grads ta 'diffrazzjoni olografika tipikament għandhom skanalaturi sinusojdali.

Echelle Gratings

Gradling echelle huwa kkaratterizzat minn spazjar tal-kanal akbar jew densità tal-kanal aktar baxxa minn gradilji ordinarji-tipikament madwar 10×, u xi kultant sa 100×. L-illuminazzjoni ta' gradilja echelle f'angolu għoli ta' inċidenza ( ) jipproduċi tixrid għoli, riżoluzzjoni għolja, u effiċjenza dipendenti fuq il-polarizzazzjoni-baxxa. Dawn il-gradilja huma adattati sew għal applikazzjonijiet li jeħtieġu riżoluzzjoni għolja, bħal strumenti u sistemi astronomiċi sensittivi li jsegwu riżoluzzjoni ta' livell-atomika.

Gratings tal-pjan vs Gratings Konkavi

It-tipi kollha ta 'ħakk ta' hawn fuq jistgħu jinqasmu aktar fi gradilji pjani u gradilji konkavi, li jiddeskrivu l-forma ġenerali tagħhom. Il-gradilja tal-pjan huma ċatti u aktar komuni. Jekk l-iskanalaturi huma dritti u spazjati b'mod ugwali, il-ħakk huwa ċatt, u d-dawl inċidentali huwa kollimat, allura d-dawl diffrattat kollu jibqa 'kollimat. Dan huwa ta 'benefiċċju f'ħafna applikazzjonijiet minħabba li l-proprjetajiet li jiffokaw tas-sistema jsiru indipendenti mill-wavelength. Meta mqabbla ma ' gradilji konkavi, gradilji pjan ukoll normalment inaqqsu l-kumplessità tas-sistema. Grads konkavi huma mgħawġa, sabiex jew jikkonverġu jew jiddiverġu dawl. Dan huwa utli biex jitnaqqas in-numru totali ta 'komponenti ottiċi f'sistema, iżda l-proprjetajiet li jiffokaw imbagħad jiddependu fuq il-wavelength.

Applikazzjonijiet tal-ħakk

Monokromaturi

Monokromatur juża ħakk konkavi jew pjan flimkien ma 'mirja biex jagħżel faxxa dejqa mid-dawl inċidentali. Jekk sors ta' dawl-abjad jidħol f'tali apparat, jiffiltra l-wavelengths kollha ħlief il-medda dejqa ta' output maħsuba. Il-Figura 5 turi kif monokromatur idawwar il-ħakk sabiex wavelengths differenti jgħaddu mill-qasma tal-ħruġ filwaqt li wavelengths l-oħra kollha huma mblukkati.

Figura 5. Il--monokromatur tal-ħakk pjan (fuq) u l-monokromatur tal-ħakk konkavi- (qiegħ) it-tnejn iduru l-ħakk biex jiskennjaw l-ordnijiet tad-diffrazzjoni tul il-qasma tal-ħruġ u jiddeterminaw b’mod preċiż liema wavelengths jistgħu jħallu l-apparat.

Spettrometri

Bħal monokromaturi, l-ispettrometri jisseparaw il-wavelengths ta 'sors tal-broadband, iżda m'għandhom l-ebda partijiet li jiċċaqilqu. Minflok, il-wavelengths kollha separati huma immaġni simultanjament fuq firxa ta 'ditekter (Figura 6). Kull wavelength jiġi immaġni fuq sett differenti ta 'pixels, li jippermetti lill-apparat jiddetermina kemm minn kull wavelength jeżisti fis-sors tal-broadband. L-ispettrometri huma tipikament użati meta tkun meħtieġa analiżi spettrali mgħaġġla, minħabba li m'hemmx bżonn li jiġu skennjati wavelengths tul ditekter, u jiffrankaw il-ħin.

Figura 6. Spettrometru tal-ħakk pjan-(fuq) u spettrometru tal-ħakk-konkavi (qiegħ) it-tnejn jużaw gradilja fissa biex jisseparaw wavelengths inċidentali fuq pixels differenti ta' array ta' detector.

Irfinar bil-lejżer

Hemm diversi modi kif tuża gradilja tad-diffrazzjoni biex tixgħel l-output spettrali tal-lejżer jew tnaqqas il-medda tal-ħruġ tiegħu. Il-ħakk jista 'jiddawru sabiex ordni ta' diffrazzjoni speċifika biss tħalli l-lejżer; il-ħakk jista 'jibqa' wieqaf waqt li mera ddur biex tiffiltra l-faxxa tal-ħruġ; jew il-ħakk jista 'jissostitwixxi mera ġewwa l-lejżer biex idejjaq il-faxxa tal-ħruġ (Figura 7).

Figura 7. Dawn it-tliet setups juru modi differenti ta' gradilja tintuża biex tixgħel il-wavelength tal-output tal-lejżer jew tnaqqas il-medda tal-wavelength tal-output.

Laser Pulse Stretching, Kompressjoni, u Amplifikazzjoni

Impulsi tal-lejżer qosra, bħal impulsi ultraveloċi, ħafna drabi jkollhom qawwa għolja għolja li tista 'tagħmel ħsara lil kisjiet u komponenti ottiċi sensittivi. Biex jiġi evitat dan, xi kultant jintuża par ta 'gradilja ta' diffrazzjoni biex jiġġebbed il-polz, iżid it-tul tiegħu u jnaqqas l-ogħla qawwa tiegħu. Il-polz imġebbda jista 'mbagħad jgħaddi minn amplifikatur ottiku u jikseb qawwa mingħajr ma jagħmel ħsara lill-ebda komponenti ottiċi. Par ieħor tal-ħakk fil-konfigurazzjoni inversa jista 'jikkompressa t-tul tal-polz wara l-amplifikazzjoni, u jipproduċi polz ta' qawwa qasira, għolja - fil-mira (Figura 8).

Figura 8. Gratings jistgħu jintużaw f'sistemi tal-lejżer b'impulsi kemm biex iżidu t-tul tal-polz-li jipprevjenu l-ħsara kkawżata mill-lejżer-- kif ukoll biex inaqqsu t-tul tal-polz, li jipproduċu impulsi ta'-qawwa għolja fil-mira.