Diffraksjonsgitter

Optiske dispersive elementer · Spektroskopi · Lasere · Telekom · Kilde: PhotonLab

Diffraksjonsgitter er viktige optiske komponenter i et bredt spekter av bruksområder, inkludert spektrometre, andre analytiske instrumenter, telekommunikasjon og lasersystemer. Et gitter inneholder en mikroskopisk periodisk rillestruktur som deler innfallende lys i flere strålebaner gjennom diffraksjon, noe som får lys med forskjellige bølgelengder til å forplante seg i forskjellige retninger. Dette gjør et diffraksjonsgitter funksjonelt likt et dispersivt prisme, selv om et prisme skiller bølgelengder etter bølgelengdeavhengig brytning i stedet for diffraksjon (figur 1).

Figur 1. Et dispersivt prisme skiller bølgelengder ved refraksjon (øverst), mens et diffraksjonsgitter skiller bølgelengder ved diffraksjon på grunn av overflatestrukturen (nederst).

Lys som faller inn på et gitter diffrakteres i henhold til gitterligningen:

Her,mer et heltall som beskriver diffraksjons (eller spektral) rekkefølgen,λer lysets bølgelengde,der avstanden mellom sporene på risten, er innfallsvinkelen, og er den diffrakterte lysvinkelen som forlater gitteret. Konstruktiv interferens av forskjellige diffrakterte bølgefronter forekommer ved heltallsmultipler av bølgelengden, og det er grunnen til at "m" vises i ligning (1).mdefinerer diffraksjonsrekkefølgen:m= 1 kalles første-ordens diffraksjon,m= 2 er andre-ordens diffraksjon, og så videre (figur 2). Hvism= 0, lyset reflekteres enten direkte fra gitteret eller sendes gjennom det, avhengig av om det er et refleksjons- eller transmisjonsgitter; dette kalles null-ordensdiffraksjon. I motsetning til et dispersivt prisme, er kortere bølgelengder alltid nærmere det direkte reflekterte eller transmitterte lyset-i dette tilfellet, 0. orden. Det er en viss overlapping mellom ulike bestillinger. Alle vinkler måles fra gitternormalen (vinkelrett på gitteret).

Figur 2. Noe lys reflekteres direkte som 0.-ordens diffraksjon, mens andre deler av det innfallende lyset blir diffraktert til første-ordensvinkler avhengig av bølgelengden. Mindre mengder er delt inn i høyere-vinkel 2.- og 3.-ordens diffraksjon.

Hva du bør vurdere når du velger rist

Når du velger et gitter, er det viktig å spesifisere bølgelengdeområdet, flammebølgelengden (bølgelengden med høyest effektivitet i det diffrakterte spekteret) og flammevinkelen. Blaze-vinkelen beskriver den første-ordens diffraksjonsvinkelen til blaze-bølgelengden. Ved denne vinkelen, og i ligning (1) er like, og det innfallende lyset blir diffraktert tilbake i retningen det kom fra. Denne tilstanden kalles også Littrow-konfigurasjonen. Å operere nær denne vinkelen gir den høyeste effektiviteten.

Rilletetthet, eller rillefrekvens, er vanligvis spesifisert. Det er det motsatte av sporavstandend. En nøkkelegenskap til et optisk system er dets spredning, men dette avhenger av både gitterets egenskaper og hvordan gitteret brukes. Uten andre systemdetaljer kan ikke et gitter alene tildeles en regel som "en viss rotasjon tilsvarer en viss bølgelengdeseparasjon." Et gitters oppløsningskraft kan også spesifiseres, og den er relatert til systemets spektrale oppløsning. Denne oppløsningen avhenger imidlertid av både gitteret og systemets inngangs- og utgangsspalter. Ristens oppløsningskraftRavhenger av spektralrekkefølgenmog antall spor under belysningN:

Vanligvis er så mange riller opplyst at inngangs- og utgangsåpningene-ikke gitteret- begrenser systemoppløsningen. Effektivitetskurver kan også brukes til å verifisere diffraksjonsnivået over alle bølgelengder som brukes i applikasjonen.

Et gitter bør være minst like stort som den innfallende lyskjeglen eller strålen; ellers vil lys fra kantene gå tapt. Derfor bør et gitter alltid være underfylt for å forhindre at strølys spretter rundt i systemet og genererer falske signaler.

Typer gitter

Refleksjonsgitter vs. transmisjonsgitter

De to bredeste kategoriene er refleksjonsrister og transmisjonsrister. Figurene 1 og 2 viser refleksjonsgitter: hovedsakelig speil med mikroskopiske spor. Alle diffrakterte ordener reflekteres fra gitteret i forskjellige vinkler. Et transmisjonsgitter er som en linse med mikroskopiske spor: alle diffrakterte ordener passerer gjennom gitteret, men er forskjøvet av vinklene gitt i ligning (1).

Styrte gitter vs. holografiske gitter

Både refleksjons- og transmisjonsrister kan videre deles inn i linerte rister og holografiske rister, som er forskjellige i hvordan sporprofilene er laget. I linerte rister graveres eller kuttes spor mekanisk inn i komponenten. I holografiske gitter innføres spor optisk: et fotosensitivt materiale kalt fotoresist avsettes på et underlag og utsettes for et optisk interferensmønster. Den gjenværende fotoresisten fjernes deretter kjemisk, og etterlater ristmønsteret. Rullegitter har vanligvis trekantede riller (Figur 3), mens holografiske rist vanligvis har sinusformede riller (Figur 3 og 4).

Figur 3. Ruleddiffraksjonsgitter har typisk trekantede spor. Pil på rist: brannretning.

Figur 4. Holografiske diffraksjonsgitter har typisk sinusformede spor.

Echelle-rister

Et echelle-gitter er preget av en større sporavstand eller lavere sportetthet enn vanlige rister -vanligvis omtrent 10×, og noen ganger opptil 100×. Å belyse et echellegitter ved en høy innfallsvinkel ( ) gir høy spredning, høy oppløsning og lav polarisasjonsavhengig effektivitet. Disse gitterne er godt egnet for applikasjoner som krever høy oppløsning, for eksempel sensitive astronomiske instrumenter og systemer som søker atomisk -oppløsning.

Plane gitter vs. konkave gittere

Alle de ovennevnte risttypene kan videre deles inn i plane og konkave rist, og beskriver deres generelle form. Planrister er flate og mer vanlige. Hvis sporene er rette og likt fordelt, er gitteret flatt, og det innfallende lyset kollimeres, så forblir alt diffraktert lys kollimert. Dette er fordelaktig i mange applikasjoner fordi fokuseringsegenskapene til systemet blir uavhengige av bølgelengden. Sammenlignet med konkave rister reduserer også plane rister vanligvis systemets kompleksitet. Konkave gittere er buede, slik at de enten konvergerer eller divergerer lys. Dette er nyttig for å redusere det totale antallet optiske komponenter i et system, men fokuseringsegenskapene avhenger da av bølgelengden.

Risterapplikasjoner

Monokromatorer

En monokromator bruker et konkavt eller plant gitter sammen med speil for å velge et smalt bånd fra det innfallende lyset. Hvis en hvit-lyskilde kommer inn i en slik enhet, filtrerer den ut alle bølgelengder bortsett fra det tiltenkte smale utgangsbåndet. Figur 5 viser hvordan en monokromator roterer gitteret slik at forskjellige bølgelengder passerer gjennom utgangsspalten mens alle andre bølgelengder blokkeres.

Figur 5. Plan-ristermonokromator (øverst) og konkav-ristermonokromator (bunn) roterer begge gitteret for å skanne diffraksjonsrekkefølgen over utgangsspalten og nøyaktig bestemme hvilke bølgelengder som kan forlate enheten.

Spektrometre

Som monokromatorer skiller spektrometre bølgelengdene til en bredbåndskilde, men de har ingen bevegelige deler. I stedet blir alle atskilte bølgelengder avbildet samtidig på en detektorgruppe (Figur 6). Hver bølgelengde avbildes på et annet sett med piksler, slik at enheten kan bestemme hvor mye av hver bølgelengde som finnes i bredbåndskilden. Spektrometre brukes vanligvis når rask spektralanalyse er nødvendig, fordi det ikke er behov for å skanne bølgelengder over en detektor, noe som sparer tid.

Figur 6. Plan-gitterspektrometer (øverst) og konkavt-gitterspektrometer (nederst) bruker begge et fast gitter for å skille innfallende bølgelengder på forskjellige piksler i en detektorgruppe.

Laser Tuning

Det er flere måter å bruke et diffraksjonsgitter for å stille inn en lasers spektrale utgang eller begrense utgangsbåndet. Gitteret kan roteres slik at bare en bestemt diffraksjonsrekkefølge forlater laseren; gitteret kan forbli stasjonært mens et speil roterer for å filtrere utgangsbåndet; eller gitteret kan erstatte et speil inne i laseren for å begrense utgangsbåndet (Figur 7).

Figur 7. Disse tre oppsettene viser forskjellige måter et gitter brukes til å justere laserutgangsbølgelengden eller begrense utgangsbølgelengdeområdet.

Laserpulsstrekking, kompresjon og forsterkning

Korte laserpulser, som ultraraske pulser, har ofte høy toppeffekt som kan skade sensitive optiske belegg og komponenter. For å unngå dette, brukes noen ganger et par diffraksjonsgitter for å strekke pulsen, øke dens varighet og redusere toppeffekten. Den strakte pulsen kan da passere gjennom en optisk forsterker og få effekt uten å skade noen optiske komponenter. Et annet gitterpar i omvendt konfigurasjon kan komprimere pulsvarigheten etter forsterkning, og produsere en kort puls med høy-effekt ved målet (Figur 8).

Figur 8. Gitter kan brukes i pulserende lasersystemer både for å øke pulsvarigheten-forhindre laser-indusert skade-og for å redusere pulsvarigheten, og produsere høye-effektpulser ved målet.