محيّد الحيود

تعريف:
عنصر بصري يحتوي على هياكل دورية تسبب انحراف شعاع الضوء.

شبكة الانحراف هي جهاز بصري ينحرف الضوء. يحتوي على هيكل دوري يسبب تغييرات في النطاق المكاني أو المرحلة. النوع الشائع هو الشبكة العاكسة ، حيث يكون للسطح العاكس هيكل دوري ويتوقف تغيير المرحلة المنتج على الموقع. لا يزال هناك شبكة نقل ، وترتبط تغيير مرحلة شبكة النقل بموقفها ، أيضًا بسبب الهيكل الدوري للسطح.  

  

الشكل 1: يتم تشتت الضوء الأبيض المنبعث من مصدر ضوئي فائق المستمر عالي الطاقة في الفضاء بعد الانحراف لعرض محتوياته الطيفية. باستخدام آلة الدخان ، يمكن رؤية مسار شعاع الضوء.  

كتالوج
 

1. وصف مفصل لشبكة الانحراف
2. هيكل Littrow
3. دقة الطيف ونقطر شعاع
4. توزيع الطاقة المخرجة في مستويات مختلفة من الحزم المنحركة
5. طريقة إعداد الشبكة
6. تطبيق شبكة الانحراف

وصف مفصل لشبكة الانحراف
في بعض الأحيان من الضروري النظر في التردد المكاني لتغيرات المرحلة المتعلقة بالموقع الناجم عن الشبكات. بالنسبة لأبسط تغيير مرحلة سينوس ، لا يوجد سوى مكونين من التردد المكاني±2 π / د ، حيث d هي فترة هيكل الشبكة.  
مكون متجه الموجة للضوء مع زاوية الحادثθفي الطائرة الشبكية هو k•خطيئةθحيث k=2π/λأينλهو الطول الموجي للضوء. سوف يؤدي الانعكاس العادي إلى مكون متجه الموجة من - k•خطيئةθللضوء المنعكس.
بسبب تعديل مرحلة الشبكة ، يحتوي الضوء المنعكس أيضًا على مكون متجه موجة طائرة آخر من - k•خطيئةθ ±2 πد. وهو يتوافق مع ترتيب الانحراف من±1. لذلك ، يمكن الحصول على الزاوية بين الضوء المنبعث والطبيعي لتلبية:

 

الشكل 2: شعاع الانحراف على جميع مستويات الشبكة.

   

إذا كان تغيير مرحلة الشبكة ليس جيبيًا ، فهناك انحراف متعدد المستويات ، ويمكن حساب زاوية الخروج عن طريق الصيغة الأكثر عمومية التالية:

  

يمكن استخدام قواعد رمزية مختلفة لأوامر الانحراف ، لذلك قد يكون لبعض المصطلحات علامات سلبية أمامها.  
من المعادلة المذكورة أعلاه، يمكن استنتاج أن الخطيئةθقيمة الخروج أكبر من 1، وترتيب الانحراف المقابل غير موجود. يظهر الشكل 2 مثالًا حيث توجد أوامر الانحراف -1 ~ + 3 فقط.  

الشكل 3: العلاقة بين زاوية الخروج وطول الموجة للشعاع المنعكس. شعاع الحادث لديه زاوية حادث ثابتة من 25°.  
فترة الشبكة في الشكل 3 هي 800 لكل ملليمتر ، ويصف المنحنى اختلاف زاوية الانبعاث مع الطول الموجي. في حالة انحراف النظام الصفر (انعكاس نقي، m = 0) ، فإن الزاوية ثابتة، في حين تختلف زوايا الأوامر الأخرى حسب الطول الموجي. على سبيل المثال، يحدث الانحراف من الدرجة الثانية مع m = 2 فقط عندما يكون الطول الموجي أقل من 560 نانومتر.  
يظهر الشكل 4 العلاقة بين عدد أوامر الانحراف ونسبة الطول الموجي لفترة شبكة الانحراف ، وكذلك العلاقة بزاوية الحادث. كلما كان طول الموجة أقصر، كلما كانت فترة الشبكة أكبر، والعدد المقابل لأوامر الانحراف.  

 

الشكل 4: العلاقة بين رقم ترميز اللون وطول الموجة لشبكة انحراف غير صفرية مقسمة على فترة الشبكة.  

هيكل Littrow
في الشبكة العاكسة لهيكل ليترو ، تعود شبكة الانحراف (عادةً شعاع من الدرجة الأولى) على طول اتجاه شعاع الحادث. وبالتالي، يتم الوفاء بالشروط التالية:
يستخدم هذا الهيكل بشكل شائع ، على سبيل المثال ، كعاكس نهائي لأجهزة الرنين الليزرية. يمكن أن يحدد اتجاه شبكة معين طول موجي معين داخل عرض النطاق الترددي المكسب لوسيط الليزر ، حيث يتم إغلاق مسار شعاع تجويف الرنين ، أي يمكن تحقيق توليد الليزر. يمكن استخدام هذه التكنولوجيا في الليزر القابل للتعديل الطول الموجي ، مثل الليزر ديود التجويف الخارجي.  

دقة الطيف ونقطر شعاع
في مقياس الطيف الشبكي ، يتم استخدام الخصائص التي تقول إن اتجاه الشعاع الذي يتم الحصول عليه من شبكة الانحراف يعتمد على الطول الموجي. في هذه المرحلة ، لا يرتبط قرار الطول الموجي بالتشتت الزاوي فقط (المقاس بالراديانات الصغيرة لكل نانومتر) ، بل يعتمد أيضًا على زاوية اختلاف الشعاع: كلما أصغر زاوية الاختلاف ، كلما كان يمكن الحصول على تغيير زاوية أكثر دقة.
لذلك ، تتطلب دقة الطول الموجي العالية بقعة إضاءة كبيرة على الشبكة. قرار الطول الموجي النسبيΔ λ/λهو على ترتيب 1 / (mN) ، حيث m هو ترتيب الانحراف و N هو عدد الأخدود الشبكية المضاءة.  

توزيع الطاقة المخرجة في مستويات مختلفة من الحزم المنحركة
من المهم جدا فهم توزيع الطاقة المخرجة في الأشعة المنحركة على جميع المستويات. بعبارة أخرى ، من الضروري تحديد كفاءة الانحراف لمستوى معين من الشعاع. هذا يعتمد على شكل تغيير المرحلة المرتبطة بطول الموجة. عادة، يمكن استخدام نظريات الانحراف المختلفة لحساب كفاءة الانحراف.  
من الممكن تحسين شبكة الانحراف بحيث يتم توزيع جميع الطاقة البصرية تقريبا على ترتيب معين من شعاع الانحراف ، مما يؤدي إلى كفاءة انحراف عالية في هذا الترتيب.
ويسمى هذا الشبكة المشتعلة (الشبكة الخطوة الصغيرة) ، ويمكن تمثيل تغيير المرحلة بواسطة وظيفة موجة الأسنان المنشار. تحت ظروف زاوية الحادث والطول الموجي المعطاة ، من الضروري ضبط منحدر سطح الشبكة لتحسين الشبكة. في هيكل ليترو الموصوف أعلاه، الجزء الخطي من الهيكل موازي للجبهة الموجية للضوء الحادث.  

طريقة إعداد الشبكة
يمكن استخدام الطرق التالية لإعداد الشبكات:

• الطريقة التقليدية هي استخدام آلة القطع لنحت الهيكل المقاوم المقاوم المطلوب (هيكل الأخدود) على السطح المعدني. على الرغم من أنه من الصعب تحقيق فترات صغيرة جدا مع الشبكات المحفورة ، إلا أنها يمكن أن تعمل كشبكات معدنية متلمعة قوية مع كفاءة بحيرة حاجز عالية. العيب الكبير لاستخدامها في مقاييس الطيف الشبكية هو توليد بعض الضوء الضال بسبب عدم الانتظامات السطحية.  
• يتم إعداد الشبكات السطحية الهولوغرافية باستخدام تقنية التصوير الضوئي ، والتي يمكن أن تحقق هياكل شبكية أكثر دقة. الشبكات الهولوغرافية البسيطة لها تغيير مرحلة جيبية، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الانحراف. ومع ذلك، بسبب سطحها المنتظم جدا، فهي لا تنتج ضوء ضال.
• يمكن إعدادها من العديد من المواد الصلبة ، مثل ثاني أكسيد السيليكون ومواد أشباه الموصلات ، ويمكن لتقنيات التحضير المتقدمة تحقيق هياكل مسيطرة بدقة ، مثل الشبكات المشتعلة.  
• الشبكة الهولوغرافية الحجمية هي هيكل مؤشر الانكسار الدوري في وسائل الإعلام الشفافة. لديها كفاءة انحراف عالية وتنتج قليلا جدا من الضوء الضالي، لكنها حساسة جدا لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة. لفها بطلاء مناسب على السطح للحد من تأثير الرطوبة.  

يمكن أيضًا إعداد شبكات الانكسار على المنشورات ، ويسمى الهيكل الذي يجمع بين المنشورات والشبكات شبكة. يمكن اختيار المعلمات المناسبة ، مثل الضوء بطول موجي محدد ، لضمان نقله غير المتحيز من خلال الشبكة.  
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعداد هياكل الشبكة على سطح المرآة العازلة للحصول على شبكات عاكسة ذات انعكاس عالي.  

تطبيق شبكة الانحراف
الشبكات الانكسار لديها العديد من التطبيقات. إليك بعض الأمثلة الرئيسية:

1. يستخدم كمقياس طيفي شبكي ، ويستخدم خصائص زاوية الانحراف والاعتماد على الطول الموجي. الشكل 5 يظهر مخطط جهاز نموذجي. يحتوي الطيف المحصل على انحراف متعدد المستويات ، خاصة عندما يكون نطاق الطول الموجي المسجل كبيرًا.

 

الشكل 5: مخطط تصميم Czerny Turner monochromator.

2. يمكن أيضًا استخدام زوج من شبكات الانحراف كعناصر التشتت ، حيث يكون الاختلاف الزاوي للخروج مستقلًا عن الطول الموجي. يحتوي الرسم البياني المخطط في الشكل 6 على أربع شبكات ، وتتقارب جميع مكونات الطول الموجي أخيرا مع بعضها البعض.
3. باستخدام زوج من الشبكات وعكس الضوء مرة أخرى من مرآة طائرة، يمكن الحصول على نفس النتيجة كما أعلاه. (لاحظ أن المرآة قد تحتاج إلى أن تميل قليلا في هذا الوقت ، بحيث يتم تعويض الضوء المنعكس بالنسبة للاتجاه العمودي ويمكن فصله عن الضوء الحادث.) يمكن استخدام هذا الجهاز الشبكي كموسع نبض التشتت أو الضاغط ، والذي سيتم استخدامه في مكبرات ضخامة النبض المزروعة. بالمقارنة مع المنظورات ، يمكنها توليد تشتت أكبر.

 

الشكل 6: مخطط الجهاز لأربعة شبكات، أي زوجين من الشبكات. الشبكة 1 تفصل شعاعات الضوء الحادثة بناءً على أطوالها الموجية (يتم عرض مسار شعاعين بأطوال موجية مختلفة في الشكل) ، وبعد المرور عبر الشبكة 2 ، تصبح الشعاعين متوازيتين. الشبكة 3 و 4 إعادة الجمع بين أشعة الضوء مع بعضها البعض. طول المسار الكلي يعتمد على طول الموجة ، وبالتالي فإن هذا الجهاز الشبكي يولد تشتت كبيرة.

3. كما ذُكر أعلاه، يمكن استخدام شبكات الانحراف (هيكل Littrow) لضبط الطول الموجي للليزر.
4. في تشكيل الشعاع الطيفي، يمكن استخدام شبكات الانحراف لجمع الضوء من أطوال موجية مختلفة قليلا التي تنبعث من قبل مصادر مختلفة في شعاع واحد.