Дифракционная решетка

Определения:
Оптические элементы, содержащие периодическую структуру, которая дифракционирует луч.

Дифракционная решетка - это оптическое устройство для дифракции света. Он содержит периодическую структуру, которая вызывает пространственные амплитуды или фазовые изменения. Чаще всего это отражательная решетка, в которой отражающая поверхность имеет периодическую структуру, создавая фазовые изменения, связанные с положением. Существует также пропускающая решетка, когда фазовое изменение пропускающей решетки связано с положением, а также с периодической структурой поверхности.

  

Рисунок 1: Белый свет, излучаемый мощными сверхнепрерывными источниками света, рассеивается в пространстве после дифракционного излучения, чтобы показать его спектральное содержание. С помощью дымовой машины можно увидеть путь луча.

Содержание
 

1. Детальное описание дифракционной решетки
2. Структура Littrow
3. Спектральное разрешение и радиус луча
4. Распределение выходной мощности в различных дифракционных лучах
5. Метод подготовки растра
6. Применение дифракционной решетки

Детальное описание дифракционной решетки
Иногда необходимо учитывать пространственную частоту фазовых изменений, связанных с местоположением, вызванных растром. Для простейших синусоидальных фазовых изменений существуют только две части пространственной частоты ±2 π   /   d, в которых d является периодом растровой структуры.
Волновая векторная составляющая света с углом падения в тета в плоскости решетки составляет k     sin  , из которых k   =   2 π   /  λ, а λ - длина волны света. Нормальное отражение получает волновую векторную составляющую отраженного света - - k     sin  .
Благодаря фазовой модуляции решетки отраженный свет также содержит другую часть векторной составляющей плоской волны - - k   • sin     ±   2π   /   d. Это соответствует дифракционному уровню ±1. Таким образом, угол между излучающим светом и нормой может быть удовлетворен:

 

Рисунок 2: Дифракционный луч на всех уровнях решетки.

   

Если фазовое изменение решетки не является синусоидальной формой, когда существует многоступенчатая дифракция, угол выхода может быть рассчитан по более общей формуле ниже:

  

Для дифракционных уровней могут применяться различные символические правила, поэтому перед некоторыми элементами могут быть отрицательные знаки.
Из вышеприведенного уравнения можно получить значение sin   teaout больше 1, когда соответствующий уровень дифракции не существует. На рисунке 2 приведен пример того, что существует только дифракционный уровень - 1 ~ + 3.

Рисунок 3: Связь между углом выхода отраженного луча и длиной волны. Падающий луч имеет фиксированный угол падения 25°.
Период растра на рисунке 3 составляет 800 шт. на миллиметр, а кривая описывает изменение угла выхода с длиной волны. Для дифракции нулевого уровня (чистое отражение, m = 0) угол является константой, в то время как угол других порядков изменяется по мере изменения длины волны. Например, дифракция второго порядка m = 2 происходит только тогда, когда длина волны меньше 560 нм.
На рисунке 4 показана связь между числом дифракционных ступеней и соотношением длин волн и периодов дифракционной решетки, а также с углом падения. Чем короче длина волны, тем больше период решетки, тем больше количество соответствующих дифракционных уровней.

 

Рисунок 4: Соотношение числа цветовых кодов для не - нулевой дифракционной решетки и деления длины волны на период решетки.

Структура Littrow
В отражающей решетке структуры Littrow дифракционная решетка (обычно луч первого уровня) возвращается в направлении падающего луча. Таким образом, удовлетворяются условия:
Эта структура обычно используется, например, в качестве концевого зеркала в лазерном резонаторе. Указанное направление решетки может определять определенную длину волны в полосе усиления лазерной среды, где траектория луча резонатора закрыта, то есть лазерная генерация может быть достигнута. Эта технология может быть использована в лазерах с настройкой длины волны, таких как лазеры на внешних диодах.

Спектральное разрешение и радиус луча
В растровом спектрометре используется свойство, связанное с длиной волны направлением луча, полученным из дифракционной решетки. Разрешение длины волны в это время связано не только с рассеянием ролей (единица микродуги на нанометр), но и с углом рассеяния луча: чем меньше угол рассеяния, тем точнее можно получить изменение угла.
Поэтому высокое разрешение длины волны требует большого светового пятна на решетке. Относительное разрешение длины волны λ /   находится на уровне 1  /   (m   N), где m - дифракционный ряд, а N - количество излучаемых растровых резцов.

Распределение выходной мощности в различных дифракционных лучах
Важно выяснить распределение выходной мощности в дифракционных лучах на всех уровнях. Другими словами, необходимо определить дифракционную эффективность луча определенного уровня. Это зависит от формы фазовых изменений, связанных с длиной волны. Как правило, для расчета дифракционной эффективности могут использоваться различные теории дифракции.
Дифракционная решетка может быть оптимизирована таким образом, что почти вся световая мощность распределяется на определенном уровне дифракционного луча, поэтому дифракционная эффективность на этом уровне высока.
Это называется сияющей решеткой (малой ступенчатой решеткой), когда фазовые изменения могут быть представлены с помощью функции зигзагообразной волны. При заданном углу падения и длине волны необходимо регулировать наклон поверхности решетки для оптимизации решетки. В описанной выше структуре Littrow линейная часть структуры параллельна волновому фронту падающего света.

Метод подготовки растра
Для изготовления решетки можно использовать следующие методы:

• Традиционный метод заключается в том, чтобы использовать гравировальную машину для нанесения необходимой поверхностной выпуклой структуры (желобчатой структуры) на металлическую поверхность. Несмотря на то, что гравированные решетки трудно достичь небольших интервалов, они могут выступать в качестве металлических блестящих решеток с высокой эффективностью барьерных озер. Заметным недостатком их использования в растровом спектрометре является то, что они создают некоторый рассеянный свет из - за нерегулярной поверхности.
• Голографическая поверхностная решетка изготовлена с использованием фотолитографии для достижения более тонкой структуры решетки. Простые фазовые изменения голографической решетки являются синусоидальными и поэтому имеют низкую дифракционную эффективность, но в основном не производят рассеяния света из - за их необычной поверхности.
• Они могут быть изготовлены из многих твердых материалов, таких как диоксид кремния и полупроводниковые материалы, а передовые технологии подготовки могут получить структуры с точным управлением, такие как блестящие решетки.
• объемная голографическая решетка представляет собой периодическую структуру преломления в прозрачной среде. Они имеют высокую дифракционную эффективность и производят очень мало рассеяния, но очень чувствительны к изменениям температуры и влажности. Упаковка его на поверхность с подходящим покрытием может уменьшить влияние влажности.

Дифракционная решетка также может быть изготовлена на призме, а структура, в которой призма соединяется с решеткой, называется решеткой (grism). Можно выбрать подходящие параметры, такие как свет с определенной длиной волны, чтобы он не отклонялся сквозь призму.
Кроме того, на поверхности диэлектрического зеркала можно изготовить решетчатую структуру, чтобы получить отражающую решетку с высокой отражательной способностью.

Применение дифракционной решетки
Дифракционная решетка имеет множество применений. Ниже приведены некоторые основные примеры:

1. В качестве растрового спектрометра используются свойства дифракционного угла, связанные с длиной волны. На рисунке 5 показана типичная схема устройства. Полученный спектр содержит многоступенчатую дифракцию, особенно когда регистрируются большие диапазоны длин волн.

 

Рисунок 5: Дизайн монохроматора Czerny - Turner.

2. Пара дифракционных решеток также может быть использована в качестве цветовых дисперсантов, где изменение угла выхода не зависит от длины волны. Схема на рисунке 6 содержит четыре решетки, и все компоненты длины волны в конечном итоге сливаются вместе.
3. При использовании пары растров и отражении света от плоских зеркал можно получить тот же результат, что и выше. (Обратите внимание, что в это время зеркало может быть слегка наклонено, так что отраженный свет будет смещен относительно вертикального направления и может быть отделен от падающего света.) Это растровое устройство может быть использовано в качестве удлинителя импульсов дисперсии цветов или компрессора, который будет использоваться в усилителе чирикающих импульсов. Они могут генерировать большую дисперсию, чем пары призм.

 

Рисунок 6: Четыре решетки представляют собой две пары решеток. Диапазон 1 разделяет падающий луч в зависимости от длины волны (на рисунке показан путь падения двух лучей с разной длиной волны) и проходит через решетку 2, после чего два луча параллельны. Диафрагмы 3 и 4 соединяют лучи вместе. Общая длина пути зависит от длины волны, поэтому это растровое устройство производит большую дисперсию.

3. Как упоминалось выше, дифракционная решетка (структура Littrow) может использоваться для настройки длины волны лазера.
4. В спектральных лучах дифракционная решетка может быть использована для синтеза света, излучаемого различными передатчиками, в один луч с несколько иной длиной волны.