Diffraktionsgitre

Optiske dispersive elementer · Spektroskopi · Lasere · Telecom · Kilde: PhotonLab

Diffraktionsgitre er vigtige optiske komponenter i en lang række applikationer, herunder spektrometre, andre analytiske instrumenter, telekommunikation og lasersystemer. Et gitter indeholder en mikroskopisk periodisk rillestruktur, der opdeler indfaldende lys i flere strålebaner gennem diffraktion, hvilket får lys med forskellige bølgelængder til at udbrede sig i forskellige retninger. Dette gør et diffraktionsgitter funktionelt ligner et dispersivt prisme, selvom et prisme adskiller bølgelængder efter bølgelængde-afhængig brydning snarere end diffraktion (figur 1).

Figur 1. Et dispersivt prisme adskiller bølgelængder ved brydning (øverst), mens et diffraktionsgitter adskiller bølgelængder ved diffraktion på grund af dets overfladestruktur (nederst).

Lys, der falder ind på et gitter, diffrakteres i henhold til gitterligningen:

Her,mer et heltal, der beskriver diffraktions- (eller spektral-) rækkefølgen,λer lysets bølgelængde,der afstanden mellem rillerne på risten, er indfaldsvinklen, og er den diffrakterede vinkel af lys, der forlader gitteret. Konstruktiv interferens af forskellige diffrakterede bølgefronter forekommer ved heltals multipla af bølgelængden, hvorfor "m" optræder i ligning (1).mdefinerer diffraktionsrækkefølgen:m= 1 kaldes første-ordens diffraktion,m= 2 er anden-ordens diffraktion og så videre (figur 2). Hvism= 0, lyset reflekteres enten direkte fra gitteret eller transmitteres gennem det, afhængigt af om det er et reflektions- eller transmissionsgitter; dette kaldes nul-ordens diffraktion. I modsætning til et dispersivt prisme er kortere bølgelængder altid tættere på det direkte reflekterede eller transmitterede lys-i dette tilfælde, 0. orden. Der er en vis overlapning mellem forskellige ordrer. Alle vinkler er målt fra gitternormalen (vinkelret på gitteret).

Figur 2. Noget lys reflekteres direkte som 0.-ordens diffraktion, mens andre dele af det indfaldende lys diffrakteres til første-ordensvinkler afhængigt af bølgelængden. Mindre mængder opdeles i højere-vinkel 2.- og 3.-ordens diffraktion.

Hvad skal du overveje, når du vælger en rist

Når du vælger et gitter, er det vigtigt at specificere bølgelængdeområdet, blaze-bølgelængden (den bølgelængde med den højeste effektivitet i det diffrakterede spektrum) og blaze-vinklen. Blaze-vinklen beskriver den første-ordens diffraktionsvinkel for blaze-bølgelængden. Ved denne vinkel og i ligning (1) er de ens, og det indfaldende lys afledes tilbage i den retning, hvorfra det kom. Denne tilstand kaldes også Littrow-konfigurationen. At arbejde tæt på denne vinkel giver den højeste effektivitet.

Rilledensitet eller rillefrekvens er normalt angivet. Det er det omvendte af rilleafstandend. En nøgleegenskab ved et optisk system er dets spredning, men dette afhænger både af gitterets egenskaber og hvordan gitteret bruges. Uden andre systemdetaljer kan et gitter ikke alene tildeles en regel som "en bestemt rotation svarer til en bestemt bølgelængdeadskillelse." Et gitters opløsningsevne kan også specificeres, og den relaterer sig til systemets spektrale opløsning. Denne opløsning afhænger dog af både gitteret og systemets ind- og udgangsspalter. Ristens opløsningsevneRafhænger af spektralrækkefølgenmog antallet af riller under belysningN:

Normalt er så mange riller belyst, at indgangs- og udgangsspalterne-ikke gitteret- begrænser systemopløsningen. Effektivitetskurver kan også bruges til at verificere diffraktionsniveauet på tværs af alle bølgelængder, der anvendes i applikationen.

Et gitter skal være mindst lige så stort som den indfaldende lyskegle eller stråle; ellers vil lyset fra kanterne gå tabt. Derfor bør et gitter altid være underfyldt for at forhindre strølys i at hoppe rundt i systemet og generere falske signaler.

Typer af riste

Refleksgitre vs. transmissionsgitre

De to bredeste kategorier er refleksgitre og transmissionsgitre. Figur 1 og 2 viser reflektionsgitre: i det væsentlige spejle med mikroskopiske riller. Alle diffrakterede ordener reflekteres fra gitteret i forskellige vinkler. Et transmissionsgitter er som en linse med mikroskopiske riller: alle diffrakterede ordener passerer gennem gitteret, men er forskudt af vinklerne givet i ligning (1).

Styrede gitter vs. holografiske gitter

Både refleksions- og transmissionsgitre kan yderligere opdeles i linerede riste og holografiske riste, som adskiller sig i, hvordan rilleprofilerne er skabt. I linerede riste graveres eller skæres riller mekanisk ind i komponenten. I holografiske gitre indføres riller optisk: et lysfølsomt materiale kaldet fotoresist afsættes på et substrat og udsættes for et optisk interferensmønster. Den resterende fotoresist fjernes derefter kemisk, hvilket efterlader gittermønsteret. Rulede gitre har normalt trekantede riller (figur 3), mens holografiske riste normalt har sinusformede riller (figur 3 og 4).

Figur 3. Rulede diffraktionsgitre har typisk trekantede riller. Pil på rist: flammens retning.

Figur 4. Holografiske diffraktionsgitre har typisk sinusformede riller.

Echelle-riste

Et echellegitter er kendetegnet ved en større rilleafstand eller lavere rilletæthed end almindelige rist -typisk omkring 10×, og nogle gange op til 100×. Belysning af et echellegitter ved en høj indfaldsvinkel ( ) producerer høj spredning, høj opløsning og lav polariseringsafhængig-effektivitet. Disse gitre er velegnede til applikationer, der kræver høj opløsning, såsom følsomme astronomiske instrumenter og systemer, der forfølger opløsning på atomare -niveau.

Plane riste vs. konkave riste

Alle ovennævnte risttyper kan yderligere opdeles i plane riste og konkave riste, der beskriver deres overordnede form. Planriste er flade og mere almindelige. Hvis rillerne er lige og med lige stor afstand, er gitteret fladt, og det indfaldende lys kollimeres, så forbliver alt diffrakteret lys kollimeret. Dette er fordelagtigt i mange applikationer, fordi systemets fokuseringsegenskaber bliver uafhængige af bølgelængde. Sammenlignet med konkave riste reducerer plane riste normalt også systemets kompleksitet. Konkave riste er buede, så de enten konvergerer eller divergerer lys. Dette er nyttigt til at reducere det samlede antal optiske komponenter i et system, men fokuseringsegenskaberne afhænger så af bølgelængden.

Anvendelse af rist

Monokromatorer

En monokromator bruger et konkavt eller plant gitter sammen med spejle til at vælge et smalt bånd fra det indfaldende lys. Hvis en hvid-lyskilde kommer ind i en sådan enhed, bortfiltrerer den alle bølgelængder undtagen det tilsigtede smalle outputbånd. Figur 5 viser, hvordan en monokromator roterer gitteret, så forskellige bølgelængder passerer gennem udgangsspalten, mens alle andre bølgelængder er blokeret.

Figur 5. Plan-gittermonokromator (øverst) og konkav-gittermonokromator (nederst) roterer begge gitteret for at scanne diffraktionsordrer hen over udgangsspalten og præcist bestemme, hvilke bølgelængder der kan forlade enheden.

Spektrometre

Ligesom monokromatorer adskiller spektrometre bølgelængderne af en bredbåndskilde, men de har ingen bevægelige dele. I stedet for afbildes alle adskilte bølgelængder samtidigt på et detektorarray (figur 6). Hver bølgelængde afbildes på et andet sæt pixels, hvilket gør det muligt for enheden at bestemme, hvor meget af hver bølgelængde der findes i bredbåndskilden. Spektrometre bruges typisk, når hurtig spektralanalyse er påkrævet, fordi der ikke er behov for at scanne bølgelængder på tværs af en detektor, hvilket sparer tid.

Figur 6. Plane-gitterspektrometer (øverst) og konkave-gitterspektrometer (nederst) bruger begge et fast gitter til at adskille indfaldende bølgelængder på forskellige pixels i et detektorarray.

Laser Tuning

Der er flere måder at bruge et diffraktionsgitter til at indstille en lasers spektrale output eller indsnævre dens outputbånd. Gitteret kan roteres, så kun en bestemt diffraktionsrækkefølge forlader laseren; gitteret kan forblive stationært, mens et spejl roterer for at filtrere udgangsbåndet; eller gitteret kan erstatte et spejl inde i laseren for at indsnævre outputbåndet (Figur 7).

Figur 7. Disse tre opsætninger viser forskellige måder, hvorpå et gitter bruges til at indstille laseroutputbølgelængden eller indsnævre outputbølgelængdeområdet.

Laserpulsstrækning, kompression og forstærkning

Korte laserimpulser, såsom ultrahurtige impulser, har ofte høj spidseffekt, der kan beskadige følsomme optiske belægninger og komponenter. For at undgå dette bruges nogle gange et par diffraktionsgitre til at strække pulsen, øge dens varighed og reducere dens spidseffekt. Den strakte puls kan derefter passere gennem en optisk forstærker og få effekt uden at beskadige nogen optiske komponenter. Et andet gitterpar i den omvendte konfiguration kan komprimere pulsvarigheden efter forstærkning og producere en kort, høj-effektpuls ved målet (figur 8).

Figur 8. Gitre kan bruges i pulserende lasersystemer både til at øge pulsvarigheden-for at forhindre laser-induceret skade-og til at reducere pulsvarigheden, hvilket producerer høje-effektimpulser ved målet.