Difrakční mřížky

Optické disperzní prvky · Spektroskopie · Lasery · Telecom · Zdroj: PhotonLab

Difrakční mřížky jsou klíčové optické komponenty v široké řadě aplikací, včetně spektrometrů, dalších analytických přístrojů, telekomunikací a laserových systémů. Mřížka obsahuje mikroskopickou strukturu periodické drážky, která rozděluje dopadající světlo do několika drah paprsků prostřednictvím difrakce, což způsobuje, že se světlo různých vlnových délek šíří různými směry. Díky tomu je difrakční mřížka funkčně podobná disperznímu hranolu, i když hranol odděluje vlnové délky lomem závislým na vlnové délce - spíše než difrakcí (obrázek 1).

Obrázek 1. Disperzní hranol odděluje vlnové délky lomem (nahoře), zatímco difrakční mřížka odděluje vlnové délky difrakcí díky své povrchové struktuře (dole).

Světlo dopadající na mřížku se ohýbá podle mřížkové rovnice:

Zde,mje celé číslo popisující difrakční (nebo spektrální) řád,λje vlnová délka světla,dje vzdálenost mezi drážkami na mřížce, je úhel dopadu a je úhel ohybu světla opouštějícího mřížku. Konstruktivní interference různých difraktovaných vlnoploch nastává při celočíselných násobcích vlnové délky, proto se v rovnici (1) objevuje "m".mdefinuje pořadí difrakce:m= 1 se nazývá difrakce prvního-řádu,m= 2 je difrakce druhého-řádu a tak dále (obrázek 2). Lim= 0, světlo se buď přímo odráží od mřížky, nebo jí prochází, v závislosti na tom, zda se jedná o odraznou nebo propustnou mřížku; tomu se říká difrakce nultého{1}}řádu. Na rozdíl od disperzního hranolu jsou kratší vlnové délky vždy blíže přímo odraženému nebo procházejícímu světlu-v tomto případě 0. řádu. Mezi různými objednávkami existuje určité překrývání. Všechny úhly jsou měřeny od normály mřížky (kolmo k mřížce).

Obrázek 2. Některé světlo se odráží přímo jako difrakce 0. -řádu, zatímco jiné části dopadajícího světla jsou ohýbány do úhlů prvního -řádu v závislosti na vlnové délce. Menší množství jsou rozdělena do difrakce vyššího-úhlu 2.- a 3.-řádu.

Co je třeba zvážit při výběru mřížky

Při výběru mřížky je důležité specifikovat rozsah vlnových délek, vlnovou délku záře (vlnová délka s nejvyšší účinností v difraktovaném spektru) a úhel záře. Úhel záře popisuje difrakční úhel prvního -řádu vlnové délky záře. V tomto úhlu a v rovnici (1) jsou stejné a dopadající světlo se ohýbá zpět ve směru, odkud přišlo. Tato podmínka se také nazývá Littrowova konfigurace. Provoz v blízkosti tohoto úhlu poskytuje nejvyšší účinnost.

Obvykle je specifikována hustota drážek nebo frekvence drážek. Je to převrácená hodnota rozteče drážekd. Klíčovou vlastností optického systému je jeho disperze, ale to závisí jak na vlastnostech mřížky, tak na způsobu použití mřížky. Bez dalších systémových detailů nelze samotné mřížce přiřadit pravidlo jako „určitá rotace odpovídá určité separaci vlnových délek“. Rozlišovací schopnost mřížky může být také specifikována a vztahuje se ke spektrálnímu rozlišení systému. Toto rozlišení však závisí jak na mřížce, tak na vstupních a výstupních štěrbinách systému. Rozlišovací schopnost mřížkyRzávisí na spektrálním řáduma počet drážek pod osvětlenímN:

Obvykle je osvětleno tolik drážek, že vstupní a výstupní štěrbiny-nikoli mřížka-omezují rozlišení systému. Křivky účinnosti lze také použít k ověření úrovně difrakce napříč všemi vlnovými délkami používanými v aplikaci.

Mřížka by měla být alespoň tak velká jako dopadající světelný kužel nebo paprsek; jinak se světlo z okrajů ztratí. Mřížka by proto měla být vždy nedostatečně vyplněná, aby se zabránilo odrážení rozptýleného světla kolem systému a generování falešných signálů.

Typy mřížek

Odrazové mřížky vs. přenosové mřížky

Dvě nejširší kategorie jsou odrazové mřížky a propustné mřížky. Obrázky 1 a 2 ukazují odrazové mřížky: v podstatě zrcadla s mikroskopickými drážkami. Všechny difraktované řády se odrážejí od mřížky pod různými úhly. Transmisní mřížka je jako čočka s mikroskopickými drážkami: všechny difraktované řády procházejí mřížkou, ale jsou posunuty o úhly uvedené v rovnici (1).

Řízené mřížky vs. holografické mřížky

Odrazové i propustné mřížky lze dále rozdělit na mřížky s řádkováním a holografické mřížky, které se liší tím, jak jsou vytvořeny profily drážek. V řádkovaných roštech jsou drážky mechanicky vyryty nebo vyříznuty do součásti. V holografických mřížkách jsou drážky zaváděny opticky: fotocitlivý materiál nazývaný fotorezist je nanesen na substrát a vystaven optickému interferenčnímu vzoru. Zbývající fotorezist se poté chemicky odstraní a zanechá mřížkový vzor. Vroubkované mřížky mají obvykle trojúhelníkové drážky (obrázek 3), zatímco holografické mřížky mají obvykle sinusové drážky (obrázky 3 a 4).

Obrázek 3. Vroubkované difrakční mřížky mají typicky trojúhelníkové drážky. Šipka na mřížce: směr plamene.

Obrázek 4. Holografické difrakční mřížky mají typicky sinusové drážky.

Echelle mřížky

Echelle mřížka se vyznačuje větší roztečí drážek nebo nižší hustotou drážek než běžné mřížky-obvykle asi 10× a někdy až 100×. Osvětlení mřížky pod vysokým úhlem dopadu ( ) vytváří vysokou disperzi, vysoké rozlišení a nízkou polarizaci -závislou účinnost. Tyto mřížky se dobře hodí pro aplikace vyžadující vysoké rozlišení, jako jsou citlivé astronomické přístroje a systémy sledující rozlišení na atomové- úrovni.

Rovinné mřížky vs. konkávní mřížky

Všechny výše uvedené typy mřížek lze dále rozdělit na mřížky rovinné a mřížky konkávní, popisující jejich celkový tvar. Rovinné mřížky jsou ploché a běžnější. Pokud jsou drážky rovné a rovnoměrně rozmístěné, mřížka je plochá a dopadající světlo je kolimováno, pak veškeré ohýbané světlo zůstává kolimováno. To je výhodné v mnoha aplikacích, protože zaostřovací vlastnosti systému se stávají nezávislými na vlnové délce. Ve srovnání s konkávními mřížkami rovinné mřížky také obvykle snižují složitost systému. Konkávní mřížky jsou zakřivené, takže světlo buď sbíhají, nebo rozcházejí. To je užitečné pro snížení celkového počtu optických komponent v systému, ale zaostřovací vlastnosti pak závisí na vlnové délce.

Aplikace mřížky

Monochromátory

Monochromátor používá konkávní nebo rovinnou mřížku spolu se zrcadly k výběru úzkého pásma z dopadajícího světla. Pokud do takového zařízení vstoupí zdroj bílého světla, odfiltruje všechny vlnové délky kromě zamýšleného úzkého výstupního pásma. Obrázek 5 ukazuje, jak monochromátor otáčí mřížkou tak, že různé vlnové délky procházejí výstupní štěrbinou, zatímco všechny ostatní vlnové délky jsou blokovány.

Obrázek 5. Monochromátor s rovinnou-mřížkou (nahoře) a monochromátor s konkávní -mřížkou (dole) otáčejí mřížkou, aby skenovaly difrakční řády přes výstupní štěrbinu a přesně určovaly, které vlnové délky mohou opouštět zařízení.

Spektrometry

Stejně jako monochromátory, spektrometry oddělují vlnové délky širokopásmového zdroje, ale nemají žádné pohyblivé části. Místo toho jsou všechny oddělené vlnové délky zobrazeny současně na poli detektorů (obrázek 6). Každá vlnová délka je zobrazena na jiné sadě pixelů, což umožňuje zařízení určit, kolik z každé vlnové délky existuje v širokopásmovém zdroji. Spektrometry se obvykle používají, když je vyžadována rychlá spektrální analýza, protože není potřeba skenovat vlnové délky napříč detektorem, což šetří čas.

Obrázek 6. Spektrometr s rovinnou-mřížkou (nahoře) a spektrometr s konkávní -mřížkou (dole) používají pevnou mřížku k oddělení dopadajících vlnových délek na různé pixely pole detektorů.

Laserové ladění

Existuje několik způsobů, jak použít difrakční mřížku k vyladění spektrálního výstupu laseru nebo zúžení jeho výstupního pásma. Mřížku lze otáčet tak, aby laser opustil pouze určitý řád difrakce; mřížka může zůstat nehybná, zatímco se zrcadlo otáčí, aby filtrovalo výstupní pásmo; nebo mřížka může nahradit zrcadlo uvnitř laseru pro zúžení výstupního pásma (obrázek 7).

Obrázek 7. Tato tři nastavení ukazují různé způsoby použití mřížky k vyladění výstupní vlnové délky laseru nebo zúžení rozsahu výstupní vlnové délky.

Laserové natahování, komprese a zesílení pulzu

Krátké laserové pulsy, jako jsou ultrarychlé pulsy, mají často vysoký špičkový výkon, který může poškodit citlivé optické povlaky a součásti. Aby se tomu zabránilo, používá se někdy dvojice difrakčních mřížek k natažení pulsu, čímž se prodlouží jeho trvání a sníží se jeho špičkový výkon. Natažený puls pak může projít optickým zesilovačem a získat výkon bez poškození jakýchkoli optických součástí. Jiný pár mřížek v obrácené konfiguraci může zkrátit dobu trvání pulsu po zesílení, čímž vznikne krátký, vysoce výkonný puls v cíli (obrázek 8).

Obrázek 8. Mřížky lze v pulzních laserových systémech použít jak ke zvýšení trvání pulsu-předcházení poškozením způsobeným laserem-, tak ke zkrácení doby trvání pulsu, čímž se v cíli vytvoří vysoce-výkonové pulsy.