Gratiau Diffreithiant

Elfennau gwasgarol optegol · Sbectrosgopeg · Laserau · Telecom · Ffynhonnell: PhotonLab

Mae rhwyllau diffreithiant yn gydrannau optegol allweddol mewn ystod eang o gymwysiadau, gan gynnwys sbectromedrau, offerynnau dadansoddol eraill, telathrebu, a systemau laser. Mae gratio yn cynnwys strwythur rhigol cyfnodol microsgopig sy'n hollti golau digwyddiad yn llwybrau trawst lluosog trwy ddifreithiant, gan achosi golau o wahanol donfeddi i ymledu i wahanol gyfeiriadau. Mae hyn yn gwneud gratio diffreithiant yn swyddogaethol debyg i brism gwasgarol, er bod prism yn gwahanu tonfeddi gan blygiant dibynnol -donfedd yn hytrach na diffreithiant (Ffigur 1).

Ffigur 1. Mae prism gwasgarol yn gwahanu tonfeddi trwy blygiant (top), tra bod gratio diffreithiant yn gwahanu tonfeddi trwy ddifreithiant oherwydd ei strwythur arwyneb (gwaelod).

Mae digwyddiad golau ar gratio yn cael ei ddiffreithio yn ôl yr hafaliad gratio:

Yma,myn gyfanrif sy'n disgrifio'r drefn diffreithiant (neu sbectrol),λyw tonfedd y golau,dyw'r bwlch rhwng rhigolau ar y gratio, yw ongl yr achosion, a yw ongl diffracted golau sy'n gadael y gratio. Mae ymyrraeth adeiladol o wahanol flaenau tonnau diffreithiedig yn digwydd ar luosrifau cyfanrif y donfedd, a dyna pam mae "m" yn ymddangos yn Hafaliad (1).myn diffinio'r gorchymyn diffreithiant:mMae=1 yn cael ei alw'n-difreithiant trefn gyntaf,mMae=2 yn-difreithiant trefn, ac yn y blaen (Ffigur 2). Osm= 0, mae'r golau naill ai'n cael ei adlewyrchu'n uniongyrchol o'r gratio neu'n cael ei drosglwyddo drwyddo, yn dibynnu a yw'n gratio adlewyrchiad neu drawsyrru; gelwir hyn yn sero-difreithiant trefn. Yn wahanol i brism gwasgarol, mae tonfeddi byrrach bob amser yn agosach at y golau a adlewyrchir yn uniongyrchol neu'r golau a drosglwyddir yn uniongyrchol-yn yr achos hwn, y 0fed gorchymyn. Mae rhywfaint o orgyffwrdd rhwng gwahanol orchmynion. Mae pob ongl yn cael ei mesur o'r normal gratio (perpendicwlar i'r gratio).

Ffigur 2. Mae peth golau yn cael ei adlewyrchu'n uniongyrchol fel diffreithiant trefn 0fed, tra bod rhannau eraill o'r golau digwyddiad yn cael eu diffreithio i onglau trefn gyntaf yn dibynnu ar donfedd. Mae symiau llai yn cael eu gwahanu'n-ongl 2il- a 3ydd-difreithiant trefn uwch.

Beth i'w Ystyried Wrth Ddewis Gratio

Wrth ddewis gratio, mae'n bwysig nodi ystod y donfedd, y donfedd tân (y donfedd â'r effeithlonrwydd uchaf yn y sbectrwm diffreithiedig), a'r ongl tân. Mae'r ongl tân yn disgrifio ongl diffreithiant trefn gyntaf y donfedd tân. Mae'r ongl hon, ac yn Hafaliad (1) yn hafal, ac mae'r golau digwyddiad yn cael ei ddiffreithio yn ôl i'r cyfeiriad y daeth ohono. Gelwir y cyflwr hwn hefyd yn gyfluniad Littrow. Mae gweithredu'n agos at yr ongl hon yn rhoi'r effeithlonrwydd uchaf.

Fel arfer nodir dwysedd rhigol, neu amlder rhigol. Dyma wrthdro'r bylchiad rhigold. Un o briodweddau allweddol system optegol yw ei gwasgariad, ond mae hyn yn dibynnu ar briodweddau'r gratio a sut y defnyddir y gratio. Heb fanylion system eraill, ni ellir neilltuo rheol ar gyfer gratio yn unig fel "mae cylchdro penodol yn cyfateb i wahaniad tonfedd penodol." Gellir pennu pŵer datrys gratio hefyd, ac mae'n ymwneud â chydraniad sbectrol y system. Fodd bynnag, mae'r datrysiad hwn yn dibynnu ar y gratio a holltau mynediad ac allanfa'r system. Grym datrys y gratioRyn dibynnu ar y drefn sbectrolma nifer y rhigolau dan oleuN:

Fel arfer mae cymaint o rigolau wedi'u goleuo fel bod yr holltau mynediad ac allan-nid y gratio-yn cyfyngu cydraniad y system. Gellir defnyddio cromliniau effeithlonrwydd hefyd i wirio'r lefel diffreithiant ar draws yr holl donfeddi a ddefnyddir yn y cais.

Dylai gratio fod o leiaf mor fawr â'r côn golau digwyddiad neu'r trawst; fel arall bydd golau o'r ymylon yn cael ei golli. Felly, dylai gratio gael ei danlenwi bob amser i atal golau strae rhag bownsio o amgylch y system a chynhyrchu signalau ffug.

Mathau o gratiau

Sgoriau Myfyrio yn erbyn Gratiau Trawsyrru

Y ddau gategori ehangaf yw rhwyllau adlewyrchiad a rhwyllau trawsyrru. Mae Ffigurau 1 a 2 yn dangos gratiau adlewyrchiad: drychau gyda rhigolau microsgopig yn eu hanfod. Mae'r holl orchmynion diffracted yn adlewyrchu o'r gratio ar wahanol onglau. Mae gratio trawsyrru yn debyg i lens gyda rhigolau microsgopig: mae pob gorchymyn diffreithiedig yn mynd trwy'r gratio, ond yn cael ei wrthbwyso gan yr onglau a roddir yn Equation (1).

Rhatiadau Rheoledig yn erbyn Rhwydi Holograffeg

Gellir rhannu'r rhwyllau adlewyrchiad a thrawsyriant ymhellach yn gratiau rheoledig a rhwyllau holograffig, sy'n wahanol o ran sut mae'r proffiliau rhigol yn cael eu creu. Mewn rhwyllau rheoledig, mae rhigolau'n cael eu hysgythru'n fecanyddol neu eu torri i mewn i'r gydran. Mewn rhwyllau holograffig, cyflwynir rhigolau yn optegol: mae deunydd ffotosensitif o'r enw ffotoresist yn cael ei ddyddodi ar swbstrad ac yn agored i batrwm ymyrraeth optegol. Yna caiff y ffotoresydd sy'n weddill ei dynnu'n gemegol, gan adael y patrwm gratio. Mae rhigolau rheoledig fel arfer yn cynnwys rhigolau trionglog (Ffigur 3), tra bod gan gratiau holograffig fel arfer rhigolau sinwsoidaidd (Ffigurau 3 a 4).

Ffigur 3. Mae rhigolau diffreithiant rheoledig yn nodweddiadol â rhigolau trionglog. Saeth ar y gratio: cyfeiriad y tân.

Ffigur 4. Mae rhigolau diffreithiant holograffig yn nodweddiadol â rhigolau sinwsoidaidd.

Echelle Gratings

Nodweddir gratio echelle gan fylchau rhigol mwy neu ddwysedd rhigol is na rhwyllau cyffredin-yn nodweddiadol tua 10 ×, ac weithiau hyd at 100 ×. Mae goleuo gratio echelle ar ongl uchel o fynychder ( ) yn cynhyrchu gwasgariad uchel, cydraniad uchel, a phegynnu isel-effeithlonrwydd dibynnol. Mae'r rhwyllau hyn yn addas iawn ar gyfer cymwysiadau sydd angen cydraniad uchel, megis offerynnau seryddol sensitif a systemau sy'n dilyn cydraniad lefel atomig.

Gratiau Plane yn erbyn Gratiau Ceugrwm

Gellir rhannu'r holl fathau o gratio uchod ymhellach yn gratiau awyren a rhwyllau ceugrwm, gan ddisgrifio eu siâp cyffredinol. Mae rhwyllau awyren yn wastad ac yn fwy cyffredin. Os yw'r rhigolau'n syth ac wedi'u gwasgaru'n gyfartal, mae'r gratio yn wastad, ac mae'r golau digwyddiad yn gwrthdaro, yna mae'r holl olau diffreithiedig yn parhau i fod yn gwrthdaro. Mae hyn yn fuddiol mewn llawer o gymwysiadau oherwydd bod priodweddau ffocws y system yn dod yn annibynnol ar donfedd. O'i gymharu â rhwyllau ceugrwm, mae rhwyllau awyrennau hefyd fel arfer yn lleihau cymhlethdod y system. Mae rhwyllau ceugrwm yn grwm, felly maen nhw naill ai'n cydgyfeirio neu'n dargyfeirio golau. Mae hyn yn ddefnyddiol ar gyfer lleihau cyfanswm nifer y cydrannau optegol mewn system, ond mae'r priodweddau canolbwyntio wedyn yn dibynnu ar donfedd.

Ceisiadau Gratio

Unlliw

Mae monocromator yn defnyddio gratio ceugrwm neu awyren ynghyd â drychau i ddewis band cul o'r golau digwyddiad. Os yw -ffynhonnell golau gwyn yn mynd i mewn i ddyfais o'r fath, mae'n hidlo pob tonfedd ac eithrio'r band allbwn cul a fwriedir. Mae Ffigur 5 yn dangos sut mae monocromator yn cylchdroi'r gratio fel bod gwahanol donfeddi'n mynd trwy'r hollt ymadael tra bod yr holl donfeddi eraill wedi'u rhwystro.

Ffigur 5. Mae awyren-monochromator gratio (top) a cheugrwm-monochromator gratio (gwaelod) ill dau yn cylchdroi'r gratio i sganio gorchmynion diffreithiant ar draws yr hollt allanfa ac yn pennu'n union pa donfeddi all adael y ddyfais.

Sbectromedrau

Fel monocromedrau, mae sbectromedrau yn gwahanu tonfeddi ffynhonnell band eang, ond nid oes ganddynt unrhyw rannau symudol. Yn lle hynny, mae'r holl donfeddi sydd wedi'u gwahanu yn cael eu delweddu ar yr un pryd ar arae canfodyddion (Ffigur 6). Mae pob tonfedd yn cael ei ddelweddu ar set wahanol o bicseli, gan ganiatáu i'r ddyfais bennu faint o bob tonfedd sy'n bodoli yn y ffynhonnell band eang. Defnyddir sbectromedrau fel arfer pan fo angen dadansoddiad sbectrol cyflym, oherwydd nid oes angen sganio tonfeddi ar draws synhwyrydd, gan arbed amser.

Ffigur 6. Mae sbectromedr gratio awyren (top) a cheugrwm-sbectromedr gratio (gwaelod) ill dau yn defnyddio gratio sefydlog i wahanu tonfeddi digwyddiad i wahanol bicseli o arae canfodydd.

Tiwnio Laser

Mae sawl ffordd o ddefnyddio gratio diffreithiant i diwnio allbwn sbectrol laser neu gyfyngu ar ei fand allbwn. Gellir cylchdroi'r gratio fel mai dim ond gorchymyn diffreithiant penodol sy'n gadael y laser; gall y gratio aros yn llonydd tra bod drych yn cylchdroi i hidlo'r band allbwn; neu gall y gratio ddisodli drych y tu mewn i'r laser i gulhau'r band allbwn (Ffigur 7).

Ffigur 7. Mae'r tri setiad hyn yn dangos gwahanol ffyrdd y defnyddir gratio i diwnio tonfedd allbwn laser neu gulhau ystod tonfedd yr allbwn.

Ymestyn Curiad Laser, Cywasgu, ac Ymhelaethu

Yn aml mae gan gorbys laser byr, fel corbys gwibgyswllt, bŵer brig uchel a all niweidio haenau a chydrannau optegol sensitif. Er mwyn osgoi hyn, weithiau defnyddir pâr o gratiau diffreithiant i ymestyn y pwls, gan gynyddu ei hyd a lleihau ei bŵer brig. Yna gall y pwls estynedig basio trwy fwyhadur optegol ac ennill pŵer heb niweidio unrhyw gydrannau optegol. Gall pâr gratio arall yn y ffurfweddiad cefn gywasgu hyd y curiad ar ôl ymhelaethu, gan gynhyrchu pwls pŵer byr, uchel ar y targed (Ffigur 8).

Ffigur 8. Gellir defnyddio gratiau mewn systemau laser pwls i gynyddu hyd curiad y galon-atal{2}}difrod a achosir gan laser-ac i leihau hyd curiad y galon, gan gynhyrchu corbys pŵer uchel ar y targed.