Velge det optimale gitteret for spektroskopiske applikasjoner

Praktisk veiledning · Valg av diffraksjonsgitter · Kilde: PhotonLab

Prioriter nøkkelparametrene for å velge det beste gitteret for spektroskopiske applikasjoner. Et diffraksjonsgitter er en optisk komponent med en periodisk struktur som skiller lys til stråler som forplanter seg i forutsigbare retninger i henhold til bølgelengden. Rister er kjernedispersive elementer i mange moderne spektroskopiske instrumenter.

Grunnleggende rist

Et overflate-relieffdiffraksjonsgitter er et passivt optisk element som omdirigerer innfallende lys til en unik vinkel for hver bølgelengde og diffraksjonsrekkefølge. Denne omdirigeringen, eller diffraksjonen, er et resultat av faseendringer når elektromagnetiske bølger møter den vanlige, faste strukturen til gitteroverflaten. Hver bølgelengde opplever en annen faseforskyvning og rekonstrueres derfor i en annen vinkel, og produserer spredning av bredbåndslys.

Hvis bølgelengden til den innfallende strålingen er mye større enn sporavstanden, oppstår ikke diffraksjon. Hvis bølgelengden er mye mindre enn rilleavstanden, oppfører rillefasettene seg som speil og diffraksjon igjen oppstår ikke.

Rivtyper

De to vanligste sporprofilene erstyrteogholografisk, som er relatert til metoden som brukes til å produsere masterristen. Rullegitter produseres ved fysisk å forme spor på en reflekterende overflate med et diamantverktøy. Sporprofilen til et lint rist er svært kontrollerbar og lett å optimalisere for en gitt applikasjon, og gir i de fleste tilfeller den beste diffraksjonseffektiviteten på grunn av denne designfriheten.

Figur 1. Typisk profil av et herdet blasert rist.

Figur 2. Symmetrisk profil av et holografisk diffraksjonsgitter.

Figur 3. Asymmetrisk profil av et holografisk diffraksjonsgitter.

Figur 4. Målt profil av et grovt hersket blasert rist.

Figur 5. Målt profil av et symmetrisk holografisk diffraksjonsgitter.

Figur 6. Målt profil av et blasert holografisk diffraksjonsgitter.

Holografiske rilleprofiler genereres av optisk interferens i fotoresist og overføres deretter til et slitesterkt materiale for replikering. Holografiske gitter minimerer strølys og tillater sporavstander som ville være upraktiske med mekanisk styring. Av denne grunn dominerer holografiske gitter applikasjoner som krever ultrafiolett bølgelengdeanalyse. Bortsett fra noen bemerkelsesverdige tilfeller har holografiske gitter vanligvis lavere toppdiffraksjonseffektivitet enn styrte gitter fordi funksjonene deres er mindre brå og gir færre frihetsgrader i spor-profilkontroll.

Spredning, oppløsning og løsningskraft

Hovedfunksjonen til et diffraksjonsgitter i et spektroskopisk instrument er å vinkelseparere en bredbåndskilde i et spektrum der hver bølgelengde har en kjent retning. Denne egenskapen kalles spredning. Ligningen som relaterer bølgelengde og vinkel er gitterligningen:

hvorner diffraksjonsrekkefølgen,λer lysets bølgelengde,der avstanden mellom tilstøtende spor,θer innfallsvinkelen i forhold til gitternormalen, ogθ′er diffraksjonsvinkelen i forhold til gitternormalen.

Figur 7. Typisk diffraksjonsmønster.

Vinkelspredning er gitt av:

Oppløsning er en systemegenskap, ikke en gitteregenskap. Det spektroskopiske instrumentet må gi en smal nok spektral båndbredde til å skille trekk av interesse. Dette oppnås gjennom en kombinasjon av gittervinkelspredning og systemets brennvidde, sammen med en åpningsbreddebegrensning.

Lineær spredning er:

hvorFer brennvidden til systemet.

Når den riktige kombinasjonen av brennvidde og gitterspredning er valgt for å oppnå den nødvendige systemoppløsningen, må en siste test utføres: sjekk om gitteret har nok oppløsningskraft. I motsetning til oppløsning, er oppløsningskraft en egenskap til gitteret:

hvorNer minimum antall spor lyset må treffe. Enkelt sagt, for å løse opp 1 nm ved 1 µm (1000:1), kreves det minst 1000 spor. Disse ligningene definerer teoretiske grenser under ideelle forhold; reelle effekter som bildeforvrengning reduserer faktisk ytelse.

Effektivitet

Når den riktige sporavstanden er bestemt, blir valg av gitter mye enklere. Forutsatt at gitteravstanden dekker hele spektralområdet av interesse, er diffraksjons-effektivitetskurver et godt utgangspunkt. Velg gitteret som gir best effektivitet ved de mest kritiske bølgelengdene, mens du vurderer prøven, kildeintensitetsprofilen og detektorresponsiviteten.

Figur 8. Typisk risteffektivitetskurve.

Absolutt effektivitet er prosentandelen av innfallende monokromatisk stråling diffraktert til ønsket rekkefølge. Relativ effektivitet sammenligner energien diffraktert til ønsket rekkefølge med energien fra et plant speil belagt med samme materiale som gitteret. Relative effektivitetskurver vises alltid høyere enn absolutte virkningsgradskurver for samme gitter.

Effektivitetskurver måles vanligvis i Littrow eller nær-Littrow-forhold. I Littrow-konfigurasjonen returnerer den diffrakterte rekkefølgen og bølgelengden av interesse langs hendelsesbanen. Små avvik fra Littrow reduserer toppeffektiviteten noe og begrenser den maksimalt oppnåelige bølgelengden, men forårsaker sjelden store ytelsesendringer.

Blaze vinkel og bølgelengde

For refleksjonsrister er effektivitet et produkt av sporform og beleggsreflektans. Rutegitterriller har sagtannprofil, med den ene siden lengre enn den andre. Vinkelen mellom den lengre siden av sporet og ristplanet er flammevinkelen. Endring av flammevinkelen konsentrerer diffraktert stråling til et spesifikt spektralområde, og forbedrer effektiviteten der. Bølgelengden for maksimal effektivitet er flammebølgelengden.

Holografiske gitter er ikke "flammet" i klassisk forstand. Sinusformen deres kan noen ganger modifiseres for å nærme seg-styrt gittereffektivitet. Når avstanden-til-bølgelengdeforholdet er nær én, kan et sinusformet gitter ha nesten samme toppeffektivitet som et regulert gitter. Et 1800 riller/mm holografisk rist kan matche et blazed ruled rist ved 500 nm. Spesielle prosesser kan også produsere holografiske gitter med en sagtannprofil med en topp på nær 240 nm, ideelt for UV-applikasjoner med lite-strølys-.

Diffraksjonsordrer

For et gitt sett med vinkler og sporavstand, er gitterligningen gyldig ved flere bølgelengder, og produserer flere diffraksjonsrekkefølger. For eksempel blir 400 nm andre-ordensstråling diffraktert i samme vinkel som 800 nm første-ordensstråling. Andre-ordens lys kan trenge filtrering for å bevare 800 nm spektral renhet.

Figur 9. Fritt spektralområde avtar når diffraksjonsrekkefølgen øker.

Det frie spektralområdet er den maksimale spektrale båndbredden som kan oppnås i en gitt rekkefølge uten overlapping fra tilstøtende bestillinger. Når sporavstanden minker, øker det frie spektralområdet; når rekkefølgen øker, reduseres den:

Belegg

Vanlige reflekterende belegg inkluderer blankt aluminium, beskyttet aluminium og gull. Bart aluminium er økonomisk og yter godt fra UV til IR. Beskyttet aluminium legger til et tynt MgF₂-lag for å forhindre UV--absorberende aluminadannelse. Gull utkonkurrerer aluminium i det nære infrarøde området, spesielt 700–1000 nm, men synker kraftig under 600 nm. Over 1200 nm konvergerer gull- og aluminiumkurver igjen.

Figur 10. Refleksjonsevne av aluminium (Al) og gull (Au) belegg, innfallsvinkel 0 grader.

Polarisering

Rister oppfører seg veldig annerledes for polarisert lys. Tilfeldig polarisert innfallende lys forårsaker vanligvis ikke noe alvorlig problem, men diffraktert lys viser en viss polarisasjonsforskyvning. Å holde diffraksjonsvinkelen liten minimerer polarisasjonseffekter. Overføringsgitter eliminerer nesten dette problemet fordi de unngår metallbelegg. Hvis inngangen er polarisert, har orienteringen stor betydning-diffraksjonseffektiviteten kan variere med opptil 10×.

Figur 11. Eksempel på gullbelegg-på et nesten-IR-refleksjonsgitter.

Figur 12. Sammenheng mellom dispersjon og polarisasjonsfølsomhet i refleksjonsgitter.

Utvalgsanbefalinger

1. Bruk kommersielle rister når det er mulig-vanligvis den mest økonomiske løsningen.
2. Rådfør deg med en kvalifisert gitterprodusent hvis du er usikker; tilpassede design gir ofte marginale gevinster.
3. Ring produsenten hvis publiserte data ikke passer ditt behov-publiserte data er bare et eksempel.
4. Ikke over-spesifiser mekaniske dimensjoner, spesielt tykkelsestoleranser.
5. Ikke anta teoretisk ytelse; Replikaer av høy-kvalitet oppnår vanligvis 80–95 % av teorien.
6. Ikke anta at gitterrister alltid har dårlig ytelse- for strølys; moderne interferenskontroll eliminerer i stor grad kjennelses-maskinfeil.
7. For skreddersydde gitterrister, hold sporfrekvensen på ~1500 mm⁻¹ eller lavere med mindre det er absolutt nødvendig.