Diffraktiohilat

Optiset dispersiiviset elementit · Spektroskopia · Laserit · Telecom · Lähde: PhotonLab

Diffraktiohilat ovat tärkeitä optisia komponentteja monissa sovelluksissa, mukaan lukien spektrometrit, muut analyyttiset laitteet, tietoliikenne ja laserjärjestelmät. Hila sisältää mikroskooppisen jaksollisen urarakenteen, joka jakaa tulevan valon useiksi sädereiteiksi diffraktiolla, jolloin eri aallonpituuksilla oleva valo etenee eri suuntiin. Tämä tekee diffraktiohilasta toiminnallisesti samanlaisen kuin dispersiivinen prisma, vaikka prisma erottaa aallonpituudet aallonpituudesta -riippuvaisella taiteella diffraktion sijaan (kuva 1).

Kuva 1. Dispersiivinen prisma erottaa aallonpituudet taituksella (ylhäällä), kun taas diffraktiohila erottaa aallonpituudet diffraktiolla pintarakenteensa vuoksi (alhaalla).

Hilaan osuva valo taittuu hilayhtälön mukaisesti:

Tässä,mon kokonaisluku, joka kuvaa diffraktio- (tai spektri-) järjestystä,λon valon aallonpituus,don ritilän urien välinen etäisyys, on tulokulma ja on hilasta lähtevän valon taipunut kulma. Eri diffraktioituneiden aaltorinteiden konstruktiivinen interferenssi tapahtuu aallonpituuden kokonaislukukerroina, minkä vuoksi yhtälössä (1) esiintyy "m".mmäärittää diffraktiojärjestyksen:m= 1 kutsutaan ensimmäisen kertaluvun-diffraktioksi,m= 2 on toisen asteen-diffraktio ja niin edelleen (kuva 2). Josm= 0, valo joko heijastuu suoraan hilasta tai välittyy sen läpi riippuen siitä, onko kyseessä heijastus- vai läpäisevä hila; tätä kutsutaan nolla-asteen diffraktioksi. Toisin kuin dispersiivinen prisma, lyhyemmät aallonpituudet ovat aina lähempänä suoraan heijastuvaa tai läpäisevää valoa-tässä tapauksessa 0. kertaluokkaa. Eri tilausten välillä on jonkin verran päällekkäisyyttä. Kaikki kulmat mitataan ritilän normaalista (suoraan hilaan nähden).

Kuva 2. Osa valosta heijastuu suoraan 0. kertaluvun diffraktiona, kun taas muut tulevan valon osat taivutetaan ensimmäisen kertaluvun kulmiin aallonpituudesta riippuen. Pienemmät määrät erotetaan korkeamman-kulman 2.- ja 3. kertaluvun diffraktioon.

Mitä tulee ottaa huomioon ritilää valittaessa

Hilaa valittaessa on tärkeää määrittää aallonpituusalue, blaze-aallonpituus (aallonpituus, jolla on suurin hyötysuhde taittuneessa spektrissä) ja blaze-kulma. Blaze-kulma kuvaa blaze-aallonpituuden ensimmäisen-kertaluvun diffraktiokulmaa. Tässä kulmassa ja yhtälössä (1) ovat yhtä suuret, ja tuleva valo taittuu takaisin suuntaan, josta se tuli. Tätä tilaa kutsutaan myös Littrow-konfiguraatioksi. Lähellä tätä kulmaa käyttäminen tarjoaa suurimman hyötysuhteen.

Uran tiheys tai uran taajuus on yleensä määritelty. Se on uravälin käänteisarvod. Optisen järjestelmän keskeinen ominaisuus on sen dispersio, mutta tämä riippuu sekä hilan ominaisuuksista että hilan käyttötavoista. Ilman muita järjestelmän yksityiskohtia hilalle ei yksinään voida määrittää sääntöä, kuten "tietty kierto vastaa tiettyä aallonpituuserotusta". Hilan erotuskyky voidaan myös määrittää, ja se liittyy järjestelmän spektriresoluutioon. Tämä resoluutio riippuu kuitenkin sekä ritilästä että järjestelmän sisään- ja ulostuloraoista. Ritilän erottelukykyRriippuu spektrijärjestyksestämja valaistujen urien lukumääräN:

Yleensä niin paljon uria valaistaan, että sisääntulo- ja ulostuloraot-ei ritilä-rajoittavat järjestelmän resoluutiota. Tehokkuuskäyrillä voidaan myös varmistaa diffraktiotaso kaikilla sovelluksessa käytetyillä aallonpituuksilla.

Ritilän tulee olla vähintään yhtä suuri kuin tuleva valokartio tai säde; muuten valo reunoista häviää. Siksi ritilä tulee aina olla alitäyttö, jotta vältetään hajavalo pomppiminen järjestelmän ympärille ja väärien signaalien tuottaminen.

Ritilätyypit

Heijastusritilät vs. voimansiirtoritilät

Kaksi laajinta luokkaa ovat heijastimet ja voimansiirtoritilät. Kuvissa 1 ja 2 on esitetty heijastushilat: olennaisesti peilejä, joissa on mikroskooppisia uria. Kaikki taipuneet järjestykset heijastavat ritilästä eri kulmissa. Transmissiohila on kuin linssi, jossa on mikroskooppisia uria: kaikki taipuneet järjestykset kulkevat hilan läpi, mutta ne korvataan yhtälössä (1) annetuilla kulmilla.

Viivatut ritilät vs. holografiset ritilät

Sekä heijastus- että läpäisyritilät voidaan edelleen jakaa viivatuiksi ritiloihin ja holografisiin ritiloihin, jotka eroavat toisistaan ​​uraprofiilien luomisen suhteen. Viivoitetuissa ritiloissa urat kaiverretaan tai leikataan komponenttiin mekaanisesti. Holografisissa ritiloissa urat tuodaan optisesti: valoherkkä materiaali, nimeltään fotoresist, kerrostetaan alustalle ja altistetaan optiselle interferenssikuviolle. Jäljelle jäänyt fotoresisti poistetaan sitten kemiallisesti, jolloin hiilakuvio jää jäljelle. Viivatuissa ritiloissa on yleensä kolmion muotoisia uria (kuva 3), kun taas holografisissa ritiloissa on yleensä sinimuotoisia uria (kuvat 3 ja 4).

Kuva 3. Viivoitelluissa diffraktiohiloissa on tyypillisesti kolmion muotoiset urat. Nuoli ritilässä: liekin suunta.

Kuva 4. Holografisissa diffraktiohiloissa on tyypillisesti sinimuotoisia uria.

Echelle Gratings

Echelle-ritilälle on ominaista suurempi urien etäisyys tai pienempi urien tiheys kuin tavallisilla ritiloilla -tyypillisesti noin 10× ja joskus jopa 100×. Echellihilan valaiseminen suuressa tulokulmassa ( ) tuottaa suuren dispersion, korkean resoluution ja alhaisen polarisaatiosta -riippuvan tehokkuuden. Nämä ritilät soveltuvat hyvin korkeaa resoluutiota vaativiin sovelluksiin, kuten herkkiin tähtitieteellisiin instrumentteihin ja atomitason resoluutioon pyrkiviin järjestelmiin.

Tasomaiset ritilät vs. koverat ritilät

Kaikki edellä mainitut ritilätyypit voidaan edelleen jakaa tasomaisiin ritiloihin ja koveroihin ritiloihin kuvaamalla niiden yleismuotoa. Tasomaiset ritilät ovat litteitä ja yleisempiä. Jos urat ovat suoria ja tasaisin välimatkoin, hila on tasainen ja tuleva valo on kollimoitunut, niin kaikki taipunut valo pysyy kollimoituna. Tästä on hyötyä monissa sovelluksissa, koska järjestelmän fokusointiominaisuudet tulevat riippumattomiksi aallonpituudesta. Verrattuna koveriin ritiloihin, tasomaiset ritilät yleensä myös vähentävät järjestelmän monimutkaisuutta. Koverat ritilät ovat kaarevia, joten ne joko lähentyvät tai hajottavat valoa. Tämä on hyödyllistä järjestelmän optisten komponenttien kokonaismäärän vähentämiseksi, mutta tarkennusominaisuudet riippuvat silloin aallonpituudesta.

Ritilän sovellukset

Monokromaattorit

Monokromaattori käyttää koveraa tai tasomaista ritilää yhdessä peilien kanssa valitsemaan kapea kaista tulevasta valosta. Jos valkoinen-valonlähde tulee tällaiseen laitteeseen, se suodattaa pois kaikki aallonpituudet paitsi tarkoitettu kapea lähtökaista. Kuvassa 5 näkyy, kuinka monokromaattori pyörittää hilaa niin, että eri aallonpituudet kulkevat ulostuloraon läpi, kun taas kaikki muut aallonpituudet estetään.

Kuva 5. Taso-hilan monokromaattori (ylhäällä) ja kovera-hilamonokromaattori (alhaalla) molemmat pyörittävät hilaa skannatakseen diffraktiojärjestykset poistumisraon poikki ja määrittävät tarkasti, mitkä aallonpituudet voivat jättää laitteen.

Spektrometrit

Monokromaattorien tavoin spektrometrit erottavat laajakaistalähteen aallonpituudet, mutta niissä ei ole liikkuvia osia. Sen sijaan kaikki erotetut aallonpituudet kuvataan samanaikaisesti ilmaisinryhmälle (kuva 6). Jokainen aallonpituus kuvataan eri pikseleiden joukkoon, jolloin laite voi määrittää, kuinka paljon kustakin aallonpituudesta on laajakaistalähteessä. Spektrometrejä käytetään tyypillisesti, kun tarvitaan nopeaa spektrianalyysiä, koska ei tarvitse skannata aallonpituuksia ilmaisimen yli, mikä säästää aikaa.

Kuva 6. Taso-hilaspektrometri (ylhäällä) ja kovera-hilaspektrometri (alhaalla) käyttävät molemmat kiinteää hilaa tuloaallonpituuksien erottamiseen ilmaisinryhmän eri pikseleille.

Laser viritys

On olemassa useita tapoja käyttää diffraktiohilaa laserin spektrilähdön virittämiseen tai sen lähtökaistan kaventamiseksi. Hilaa voidaan pyörittää niin, että vain tietty diffraktiojärjestys jättää laserin; ritilä voi pysyä paikallaan peilin pyöriessä suodattaakseen lähtökaistaa; tai ritilä voi korvata peilin laserin sisällä kaventaakseen lähtökaistaa (kuva 7).

Kuva 7. Nämä kolme asetusta esittävät erilaisia ​​tapoja, joilla hilaa käytetään laserin ulostuloaallonpituuden virittämiseen tai lähtöaallonpituusalueen kaventamiseen.

Laserpulssin venyttely, pakkaus ja vahvistus

Lyhyillä laserpulsseilla, kuten ultranopeilla pulsseilla, on usein suuri huipputeho, joka voi vahingoittaa herkkiä optisia pinnoitteita ja komponentteja. Tämän välttämiseksi käytetään joskus diffraktiohilaa paria venyttämään pulssia, mikä lisää sen kestoa ja pienentää sen huipputehoa. Venytetty pulssi voi sitten kulkea optisen vahvistimen läpi ja saada tehoa vahingoittamatta optisia komponentteja. Toinen käänteisessä konfiguraatiossa oleva hilapari voi tiivistää pulssin kestoa vahvistuksen jälkeen ja tuottaa lyhyen, korkean -tehopulssin kohteessa (kuva 8).

Kuva 8. Ritiloja voidaan käyttää pulssilaserjärjestelmissä sekä pidentämään pulssin kestoa-estämään laserin-indusoituja vaurioita- että lyhentämään pulssin kestoa, jolloin saadaan aikaan suuria-tehopulsseja kohteessa.