DeepLightSeekdefinición:
Un elemento óptico que contiene estructuras periódicas que causan difracción de haces de luz.
Una rejilla de difracción es un dispositivo óptico que difracta la luz. Contiene una estructura periódica que provoca cambios de amplitud o fase espaciales. Un tipo común es una rejilla reflectante, donde la superficie reflectante tiene una estructura periódica y el cambio de fase producido es dependiente de la posición. Aún existe una rejilla de transmisión, y el cambio de fase de la rejilla de transmisión está relacionado con su posición, también debido a la estructura periódica de la superficie.
Figura 1: La luz blanca emitida por una fuente de luz supercontinua de alta potencia se dispersa en el espacio después de la difracción para mostrar su contenido espectral. Usando una máquina de humo, se puede ver la trayectoria del haz de luz.
catálogo
- Descripción detallada de la rejilla de difracción
- Estructura de Littrow
- Resolución espectral y radio de haz
- Distribución de potencia de salida en varios niveles de hazes difractados
- Método de preparación de rejilla
- Aplicación de la rejilla de difracción
Descripción detallada de la rejilla de difracción
A veces es necesario considerar la frecuencia espacial de los cambios de fase relacionados con la posición causada por las rejillas. Para el cambio de fase sinusoidal más simple, sólo hay dos componentes de frecuencia espacial de±2 πd, donde d es el período de la estructura de rejilla.
El componente del vector de onda de la luz con un ángulo incidenteθen el plano de rejilla es k•pecadoθdonde k = 2π/λdóndeλes la longitud de onda de la luz. La reflexión normal dará como resultado un componente del vector de onda de - k•pecadoθpara la luz reflejada.
Debido a la modulación de fase de la rejilla, la luz reflejada también contiene otro componente de vector de onda plana de -k•pecadoθ ±2 πd. corresponde a un orden de difracción de±1. Por lo tanto, el ángulo entre la luz emitida y la normal se puede obtener para satisfacer:
Figura 2: Vigas de difracción en todos los niveles de la rejilla.
Si el cambio de fase de la rejilla no es sinusoidal, hay difracción de varios niveles, y el ángulo de salida se puede calcular mediante la siguiente fórmula más general:
Se pueden usar diferentes reglas de símbolos para órdenes de difracción, por lo que algunos términos pueden tener signos negativos delante de ellos.
De la ecuación anterior, se puede concluir que el pecadoθEl valor de salida es mayor que 1, y el orden de difracción correspondiente no existe. La Figura 2 muestra un ejemplo donde solo existen órdenes de difracción -1~+3.
Figura 3: La relación entre el ángulo de salida y la longitud de onda del haz reflejado. El haz incidente tiene un ángulo de incidente fijo de 25°.
El período de rejilla en la figura 3 es de 800 por milímetro, y la curva describe la variación del ángulo de emisión con la longitud de onda. Para la difracción de orden cero (reflexión pura, m=0), el ángulo es constante, mientras que los ángulos de otros órdenes varían con la longitud de onda. Por ejemplo, la difracción de segundo orden con m=2 solo se produce cuando la longitud de onda es inferior a 560 nm.
La figura 4 muestra la relación entre el número de órdenes de difracción y la relación entre la longitud de onda y el período de rejilla de difracción, así como la relación con el ángulo incidente. Cuanto menor sea la longitud de onda, mayor será el período de rejilla y el número correspondiente de órdenes de difracción.
Figura 4: La relación entre el número de codificación de color y la longitud de onda de una rejilla de difracción de orden no cero dividida por el período de rejilla.
Estructura de Littrow
En la rejilla reflectante de la estructura Littrow, la rejilla de difracción (generalmente un haz de primer orden) vuelve a lo largo de la dirección del haz incidente. Por lo tanto, se cumplen las siguientes condiciones:
Esta estructura se usa comúnmente, por ejemplo, como un reflector extremo para resonadores láser. Una dirección de rejilla dada puede determinar una cierta longitud de onda dentro del ancho de banda de ganancia del medio láser, en la que se cierra la trayectoria de haz de cavidad resonante, es decir, se puede lograr la generación de láser. Esta tecnología se puede utilizar en láseres sintonizables de longitud de onda, tales como láseres de diodo de cavidad externa.
Resolución espectral y radio de haz
En un espectrómetro de rejilla, se utiliza la propiedad de que la dirección del haz obtenido a partir de la rejilla de difracción depende de la longitud de onda. En este punto, la resolución de la longitud de onda no solo está relacionada con la dispersión angular (medida en microradianes por nanómetro), sino que también depende del ángulo de divergencia del haz: cuanto menor sea el ángulo de divergencia, más preciso puede obtenerse el cambio de ángulo.
Por lo tanto, la resolución de alta longitud de onda requiere un gran punto de iluminación en la rejilla. La resolución relativa de la longitud de ondaΔ λ/λes del orden de 1/(mN), donde m es el orden de difracción y N es el número de ranuras de rejilla iluminadas.
Distribución de potencia de salida en varios niveles de hazes difractados
Es muy importante entender la distribución de potencia de salida en los haces difractados en todos los niveles. En otras palabras, es necesario determinar la eficiencia de difracción de un cierto nivel de haz. Esto depende de la forma del cambio de fase relacionado con la longitud de onda. Por lo general, diferentes teorías de difracción se pueden usar para calcular la eficiencia de difracción.
Es posible optimizar la rejilla de difracción de manera que casi toda la potencia óptica se distribuya en un cierto orden de haz de difracción, dando como resultado una alta eficiencia de difracción en ese orden.
Esto se llama una rejilla encendida (rejilla de pequeños pasos), y el cambio de fase puede representarse por una función de onda de diente de sierra. Bajo las condiciones de ángulo de incidente y longitud de onda dadas, es necesario ajustar la pendiente de la superficie de la rejilla para optimizar la rejilla. En la estructura Littrow descrita anteriormente, la parte lineal de la estructura es paralela al frente de onda de la luz incidente.
Método de preparación de rejilla
Los siguientes métodos pueden usarse para preparar rejillas:
- El método tradicional es usar una máquina de corte para tallar la estructura convexa cóncava de superficie requerida (estructura de ranura) en la superficie metálica. Aunque es difícil lograr intervalos muy pequeños con rejillas grabadas, pueden servir como rejillas metálicas brillantes robustas con una alta eficiencia en el lago de barrera. La desventaja significativa de su uso en espectrómetros de rejilla es la generación de alguna luz desviada debido a irregularidades superficiales.
- Las rejillas superficiales holográficas se preparan utilizando tecnología de fotolitografía, que puede lograr estructuras de rejilla más finas. Las rejillas holográficas simples tienen un cambio de fase sinusoidal, lo que resulta en una menor eficiencia de difracción. Sin embargo, debido a su superficie muy regular, no producen luz extravagante.
- Se pueden preparar a partir de muchos materiales duros, tales como dióxido de silicio y materiales semiconductores, y las técnicas de preparación avanzadas pueden lograr estructuras controladas con precisión, tales como rejillas ardidas.
- La rejilla holográfica de volumen es una estructura de índice de refracción periódica en medios transparentes. Tienen una alta eficiencia de difracción y producen muy poca luz extravagante, pero son muy sensibles a los cambios de temperatura y humedad. Envuelvelo con un recubrimiento adecuado en la superficie para reducir el impacto de la humedad.
Las rejillas de difracción también se pueden preparar en prismas, y la estructura que combina prismas y rejillas se llama rejilla. Se pueden seleccionar parámetros adecuados, tales como luz con una longitud de onda específica, para asegurar su transmisión imparcial a través de la rejilla.
Además, se pueden preparar estructuras de rejilla sobre la superficie del espejo dieléctrico para obtener rejillas reflectantes con alta reflectividad.
Aplicación de la rejilla de difracción
Las rejillas de difracción tienen muchas aplicaciones. Aquí hay algunos ejemplos principales:
- Utilizado como espectrómetro de rejilla, utiliza la propiedad del ángulo de difracción y la dependencia de la longitud de onda. La Figura 5 muestra un diagrama de dispositivo típico. El espectro obtenido contiene difracción multinivel, especialmente cuando el intervalo de longitud de onda registrado es grande.
Figura 5: Diagrama de diseño del monocromator Czerny Turner.
- Un par de rejillas de difracción también se puede usar como elementos de dispersión, donde la variación angular de la salida es independiente de la longitud de onda. El diagrama esquemático en la figura 6 contiene cuatro rejillas, y todos los componentes de longitud de onda finalmente convergen juntos.
- Utilizando un par de rejillas y reflejando la luz de vuelta desde un espejo plano, se puede obtener el mismo resultado que anteriormente. (Tenga en cuenta que el espejo puede necesitar ser ligeramente inclinado en este momento, de modo que la luz reflejada se desplace con respecto a la dirección vertical y se pueda separar de la luz incidente.) Este dispositivo de rejilla se puede usar como un extensor de pulso de dispersión o compresor, que se usará en amplificadores de pulso de chirpeo. En comparación con los prismas, pueden generar una mayor dispersión.
Figura 6: Diagrama del dispositivo de cuatro rejillas, es decir, dos pares de rejillas. La rejilla 1 separa los haces de luz incidentes basándose en sus longitudes de onda (la trayectoria de dos haces con diferentes longitudes de onda se muestra en la figura), y después de pasar a través de la rejilla 2, los dos haces se vuelven paralelos. Las rejillas 3 y 4 recombinan los haces de luz juntos. La longitud total de la trayectoria depende de la longitud de onda, por lo tanto este dispositivo de rejilla genera una dispersión significativa.
- Como se mencionó anteriormente, se pueden usar rejillas de difracción (estructura Littrow) para el ajuste de longitud de onda de láseres.
- En la formación de haz espectral, se pueden usar rejillas de difracción para combinar luz de longitudes de onda ligeramente diferentes emitidas por diferentes emisores en un haz.
