Дифракционные решетки

Оптически-дисперсионные элементы · Спектроскопия · Лазеры · Телекоммуникации · Источник: PhotonLab

Дифракционные решетки являются ключевыми оптическими компонентами в широком спектре применений, включая спектрометры, другие аналитические инструменты, телекоммуникации и лазерные системы. Решетка содержит микроскопическую периодическую структуру канавок, которая разделяет падающий свет на несколько путей за счет дифракции, в результате чего свет с разными длинами волн распространяется в разных направлениях. Это делает дифракционную решетку функционально похожей на дисперсионную призму, хотя призма разделяет длины волн за счет -зависимого от длины волны преломления, а не дифракции (рис. 1).

Рисунок 1. Дисперсионная призма разделяет длины волн за счет преломления (вверху), а дифракционная решетка разделяет длины волн за счет дифракции из-за структуры своей поверхности (внизу).

Свет, падающий на решетку, дифрагируется согласно уравнению решетки:

Здесь,m— целое число, описывающее порядок дифракции (или спектра),λдлина волны света,dрасстояние между канавками на решетке, - угол падения, а – угол дифрагии света, выходящего из решетки. Конструктивная интерференция различных дифрагированных волновых фронтов происходит при целых числах, кратных длине волны, поэтому в уравнении (1) появляется буква «m».mопределяет порядок дифракции:m= 1 называется дифракцией первого-порядка,m= 2 — дифракция второго-порядка и т. д. (рис. 2). Еслиm= 0 свет либо напрямую отражается от решетки, либо проходит через нее, в зависимости от того, является ли это отражающей или пропускающей решеткой; это называется дифракцией нулевого-порядка. В отличие от дисперсионной призмы, более короткие волны всегда ближе к прямо отраженному или прошедшему свету-в данном случае 0-го порядка. Между разными порядками существует некоторое совпадение. Все углы отсчитываются от нормали решетки (перпендикулярно решетке).

Рисунок 2. Некоторая часть света отражается напрямую в результате дифракции 0-го-порядка, тогда как другие части падающего света преломляются в углы первого-порядка в зависимости от длины волны. Меньшие количества разделяются на дифракцию более высокого-угла 2-го- и 3-го-порядка.

Что следует учитывать при выборе решетки

При выборе решетки важно указать диапазон длин волн, длину волны свечения (длину волны с наибольшей эффективностью в дифрагированном спектре) и угол свечения. Угол блеска описывает угол дифракции первого-порядка длины волны блеска. При этом угол и в Уравнении (1) равны, и падающий свет преломляется обратно в ту сторону, откуда он пришел. Это условие также называют конфигурацией Литтроу. Работа близко к этому углу обеспечивает максимальную эффективность.

Обычно указывается плотность канавок или частота канавок. Это обратное расстояние между канавками.d. Ключевым свойством оптической системы является ее дисперсия, но это зависит как от свойств решетки, так и от того, как она используется. Без других деталей системы одной решетке нельзя назначить такое правило, как «определенное вращение соответствует определенному разделению длин волн». Также может быть указана разрешающая способность решетки, которая связана со спектральным разрешением системы. Однако это разрешение зависит как от решетки, так и от входных и выходных щелей системы. Разрешающая способность решеткиRзависит от спектрального порядкаmи количество канавок при освещенииN:

Обычно освещается так много канавок, что входная и выходная щели,-а не решетка-ограничивают разрешение системы. Кривые эффективности также можно использовать для проверки уровня дифракции на всех длинах волн, используемых в приложении.

Решетка должна быть по крайней мере такого же размера, как конус или луч падающего света; в противном случае свет от краев будет потерян. Поэтому решетка всегда должна быть недостаточно заполнена, чтобы предотвратить отражение рассеянного света вокруг системы и создание ложных сигналов.

Виды решеток

Отражающие решетки против пропускающих решеток

Двумя самыми широкими категориями являются отражающие решетки и пропускающие решетки. На рисунках 1 и 2 показаны отражательные решетки: по сути, зеркала с микроскопическими канавками. Все дифрагированные порядки отражаются от решетки под разными углами. Пропускающая решетка подобна линзе с микроскопическими канавками: все дифрагированные порядки проходят через решетку, но компенсируются углами, указанными в уравнении (1).

Линейчатые решетки против голографических решеток

Как отражательные, так и пропускающие решетки можно разделить на линейчатые и голографические решетки, которые различаются способом создания профилей канавок. В линейчатых решетках канавки механически выгравированы или вырезаны в детали. В голографических решетках канавки вводятся оптически: на подложку наносится светочувствительный материал, называемый фоторезистом, и подвергается воздействию оптической интерференционной картины. Оставшийся фоторезист затем удаляется химическим путем, оставляя решетчатый рисунок. Линейчатые решетки обычно имеют треугольные канавки (рис. 3), а голографические решетки обычно имеют синусоидальные канавки (рис. 3 и 4).

Рисунок 3. Линейчатые дифракционные решетки обычно имеют треугольные канавки. Стрелка на решетке: направление пламени.

Рисунок 4. Голографические дифракционные решетки обычно имеют синусоидальные канавки.

Эшель Решетки

Эшельная решетка характеризуется большим расстоянием между канавками или меньшей плотностью канавок, чем обычные решетки,-обычно около 10×, а иногда и до 100×. Освещение эшелле-решетки под большим углом падения ( ) обеспечивает высокую дисперсию, высокое разрешение и низкую эффективность, зависящую от поляризации. Эти решетки хорошо подходят для применений, требующих высокого разрешения, таких как чувствительные астрономические инструменты и системы, обеспечивающие разрешение атомного-уровня.

Плоские решетки против вогнутых решеток

Все вышеперечисленные типы решеток можно разделить на плоские и вогнутые, описывая их общую форму. Плоские решетки более плоские и распространены. Если желобки прямые и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, решетка плоская и падающий свет коллимирован, то весь дифрагированный свет остается коллимированным. Это выгодно во многих приложениях, поскольку фокусирующие свойства системы становятся независимыми от длины волны. По сравнению с вогнутыми решетками плоские решетки обычно уменьшают сложность системы. Вогнутые решетки изогнуты, поэтому они либо сходятся, либо рассеивают свет. Это полезно для уменьшения общего количества оптических компонентов в системе, но тогда фокусирующие свойства зависят от длины волны.

Применение решеток

Монохроматоры

Монохроматор использует вогнутую или плоскую решетку вместе с зеркалами для выделения узкой полосы падающего света. Если источник белого-света попадает в такое устройство, он отфильтровывает все длины волн, кроме предполагаемого узкого выходного диапазона. На рисунке 5 показано, как монохроматор вращает решетку так, что волны разной длины проходят через выходную щель, в то время как все остальные длины волн блокируются.

Рис. 5. Монохроматор с плоской-решеткой (вверху) и монохроматор с вогнутой-решеткой (внизу) вращают решетку для сканирования порядков дифракции через выходную щель и точно определяют, какие длины волн могут покинуть устройство.

Спектрометры

Как и монохроматоры, спектрометры разделяют длины волн широкополосного источника, но у них нет движущихся частей. Вместо этого все разделенные длины волн одновременно отображаются на матрице детекторов (рис. 6). Каждая длина волны отображается на различном наборе пикселей, что позволяет устройству определить, какая часть каждой длины волны присутствует в широкополосном источнике. Спектрометры обычно используются, когда требуется быстрый спектральный анализ, поскольку нет необходимости сканировать длины волн детектором, что экономит время.

Рис. 6. Спектрометр с плоской-решеткой (вверху) и спектрометр с вогнутой-решеткой (внизу) используют фиксированную решетку для разделения падающих длин волн на разные пиксели матрицы детекторов.

Лазерная настройка

Существует несколько способов использования дифракционной решетки для настройки спектральной мощности лазера или сужения его выходной полосы. Решетку можно вращать так, чтобы из лазера выходил только определенный порядок дифракции; решетка может оставаться неподвижной, в то время как зеркало вращается для фильтрации выходного диапазона; или решетка может заменить зеркало внутри лазера, чтобы сузить выходную полосу (рис. 7).

Рисунок 7. Эти три установки демонстрируют различные способы использования решетки для настройки длины волны выходного излучения лазера или сужения диапазона выходных длин волн.

Растяжение, сжатие и усиление лазерного импульса

Короткие лазерные импульсы, например сверхбыстрые, часто имеют высокую пиковую мощность, которая может повредить чувствительные оптические покрытия и компоненты. Чтобы этого избежать, иногда используют пару дифракционных решеток, растягивающих импульс, увеличивая его длительность и уменьшая пиковую мощность. Затем растянутый импульс может пройти через оптический усилитель и набрать мощность, не повреждая оптические компоненты. Другая пара решеток в обратной конфигурации может сжимать длительность импульса после усиления, создавая короткий-импульс высокой мощности на мишени (рис. 8).

Рис. 8. Решетки можно использовать в импульсных лазерных системах как для увеличения длительности импульса,-предотвращая-наведенное лазером повреждение-, так и для уменьшения длительности импульса, создавая импульсы высокой-мощности на цели.