Diffraktionsgaller

Optiska dispersiva element · Spektroskopi · Lasrar · Telekom · Källa: PhotonLab

Diffraktionsgitter är viktiga optiska komponenter i ett brett spektrum av applikationer, inklusive spektrometrar, andra analytiska instrument, telekommunikation och lasersystem. Ett gitter innehåller en mikroskopisk periodisk spårstruktur som delar upp infallande ljus i flera strålbanor genom diffraktion, vilket gör att ljus med olika våglängder fortplantar sig i olika riktningar. Detta gör ett diffraktionsgitter funktionellt likt ett dispersivt prisma, även om ett prisma separerar våglängder efter våglängds-beroende brytning snarare än diffraktion (Figur 1).

Figur 1. Ett dispersivt prisma separerar våglängder genom refraktion (överst), medan ett diffraktionsgitter separerar våglängder genom diffraktion på grund av dess ytstruktur (botten).

Ljus som faller in på ett gitter diffrakteras enligt gitterekvationen:

Här,mär ett heltal som beskriver diffraktionsordningen (eller spektralordningen),λär ljusets våglängd,där avståndet mellan spåren på gallret, är infallsvinkeln, och är den diffrakterade ljusvinkeln som lämnar gittret. Konstruktiv interferens av olika diffrakterade vågfronter inträffar vid heltalsmultiplar av våglängden, varför "m" förekommer i ekvation (1).mdefinierar diffraktionsordningen:m= 1 kallas första-ordersdiffraktion,m= 2 är andra-ordningens diffraktion och så vidare (Figur 2). Omm= 0, ljuset reflekteras antingen direkt från gittret eller transmitteras genom det, beroende på om det är ett reflektions- eller transmissionsgitter; detta kallas noll-ordersdiffraktion. Till skillnad från ett dispersivt prisma är kortare våglängder alltid närmare det direkt reflekterade eller transmitterade ljuset-i detta fall, 0:e ordningen. Viss överlappning finns mellan olika beställningar. Alla vinklar mäts från gitternormalen (vinkelrätt mot gittret).

Figur 2. En del ljus reflekteras direkt som diffraktion av 0:e-ordningen, medan andra delar av det infallande ljuset diffrakteras till första-vinklar beroende på våglängd. Mindre mängder delas upp i högre-vinkel 2:a- och 3:e-ordningens diffraktion.

Vad du ska tänka på när du väljer galler

När du väljer ett gitter är det viktigt att specificera våglängdsområdet, flammans våglängd (våglängden med högst effektivitet i det diffrakterade spektrumet) och flammans vinkel. Blaze-vinkeln beskriver den första-ordningens diffraktionsvinkel för blaze-våglängden. Vid denna vinkel och i ekvation (1) är lika, och det infallande ljuset diffrakteras tillbaka i den riktning från vilken det kom. Detta tillstånd kallas också Littrow-konfigurationen. Att arbeta nära denna vinkel ger högsta effektivitet.

Spårdensitet, eller spårfrekvens, anges vanligtvis. Det är det omvända till spåravståndetd. En nyckelegenskap hos ett optiskt system är dess spridning, men detta beror på både gallrets egenskaper och hur gittret används. Utan andra systemdetaljer kan ett gitter inte ensamt tilldelas en regel som "en viss rotation motsvarar en viss våglängdsseparation." Ett gitters upplösningsförmåga kan också specificeras, och den relaterar till systemets spektrala upplösning. Denna upplösning beror dock på både gallret och systemets in- och utgångsslitsar. Gallrets upplösningsförmågaRberor på spektralordningenmoch antalet spår under belysningN:

Vanligtvis är så många spår upplysta att ingångs- och utgångsslitsarna-inte gallret- begränsar systemupplösningen. Effektivitetskurvor kan också användas för att verifiera diffraktionsnivån över alla våglängder som används i applikationen.

Ett galler bör vara minst lika stort som den infallande ljuskäglan eller strålen; annars försvinner ljuset från kanterna. Därför bör ett galler alltid vara underfyllt för att förhindra att ströljus studsar runt systemet och genererar falska signaler.

Typer av galler

Reflektionsgitter vs. transmissionsgitter

De två bredaste kategorierna är reflektionsgitter och transmissionsgitter. Figurerna 1 och 2 visar reflektionsgitter: i huvudsak speglar med mikroskopiska spår. Alla diffrakterade ordningar reflekteras från gittret i olika vinklar. Ett transmissionsgitter är som en lins med mikroskopiska spår: alla diffrakterade ordningar passerar genom gittret, men förskjuts av vinklarna som ges i ekvation (1).

Styrda galler vs. holografiska galler

Både reflektions- och transmissionsgitter kan vidare delas in i linerade gitter och holografiska gitter, som skiljer sig åt i hur spårprofilerna skapas. I räfflade galler graveras eller skärs spår mekaniskt in i komponenten. I holografiska gitter introduceras spår optiskt: ett ljuskänsligt material som kallas fotoresist avsätts på ett substrat och exponeras för ett optiskt interferensmönster. Den återstående fotoresisten avlägsnas sedan kemiskt och lämnar gallermönstret. Reglade galler har vanligtvis triangulära spår (Figur 3), medan holografiska galler vanligtvis har sinusformade spår (Figur 3 och 4).

Figur 3. Ruleddiffraktionsgitter har vanligtvis triangulära spår. Pil på gallret: eldens riktning.

Figur 4. Holografiska diffraktionsgitter har vanligtvis sinusformade spår.

Echelle galler

Ett echellegitter kännetecknas av ett större spåravstånd eller lägre spårdensitet än vanliga galler-vanligtvis cirka 10×, och ibland upp till 100×. Att belysa ett echellegitter med en hög infallsvinkel ( ) ger hög spridning, hög upplösning och låg polarisationsberoende-effektivitet. Dessa gitter är väl lämpade för applikationer som kräver hög upplösning, såsom känsliga astronomiska instrument och system som eftersträvar atomär -upplösning.

Plana galler vs. konkava galler

Alla ovanstående gallertyper kan vidare delas in i plana galler och konkava galler, som beskriver deras övergripande form. Plangaller är platta och vanligare. Om spåren är raka och jämnt fördelade, gallret är plant och det infallande ljuset kollimeras, då förblir allt diffrakterat ljus kollimerat. Detta är fördelaktigt i många tillämpningar eftersom fokuseringsegenskaperna hos systemet blir oberoende av våglängden. Jämfört med konkava galler minskar även plana galler vanligtvis systemets komplexitet. Konkava galler är böjda, så att de antingen konvergerar eller divergerar ljus. Detta är användbart för att minska det totala antalet optiska komponenter i ett system, men fokuseringsegenskaperna beror då på våglängden.

Gallerapplikationer

Monokromatorer

En monokromator använder ett konkavt eller plant galler tillsammans med speglar för att välja ett smalt band från det infallande ljuset. Om en vit-ljuskälla kommer in i en sådan enhet, filtrerar den bort alla våglängder utom det avsedda smala utgångsbandet. Figur 5 visar hur en monokromator roterar gittret så att olika våglängder passerar genom utgångsslitsen medan alla andra våglängder blockeras.

Figur 5. Plan-monokromator (överst) och konkav-gallermonokromator (botten) roterar båda gittret för att skanna diffraktionsordningar över utgångsslitsen och exakt bestämma vilka våglängder som kan lämna enheten.

Spektrometrar

Liksom monokromatorer separerar spektrometrar våglängderna för en bredbandskälla, men de har inga rörliga delar. Istället avbildas alla separerade våglängder samtidigt på en detektormatris (Figur 6). Varje våglängd avbildas på en annan uppsättning pixlar, vilket gör att enheten kan bestämma hur mycket av varje våglängd som finns i bredbandskällan. Spektrometrar används vanligtvis när snabb spektralanalys krävs, eftersom det inte finns något behov av att skanna våglängder över en detektor, vilket sparar tid.

Figur 6. Plan-gitterspektrometer (överst) och konkav-gitterspektrometer (botten) använder båda ett fast gitter för att separera infallande våglängder på olika pixlar i en detektormatris.

Laser Tuning

There are several ways to use a diffraction grating to tune a laser's spectral output or narrow its output band. The grating can be rotated so that only a specific diffraction order leaves the laser; the grating can remain stationary while a mirror rotates to filter the output band; or the grating can replace a mirror inside the laser to narrow the output band (Figure 7).

Figur 7. Dessa tre inställningar visar olika sätt som ett gitter används för att ställa in laserns utgående våglängd eller för att minska utdatavåglängdsområdet.

Laserpulssträckning, kompression och förstärkning

Korta laserpulser, såsom ultrasnabba pulser, har ofta hög toppeffekt som kan skada känsliga optiska beläggningar och komponenter. För att undvika detta används ibland ett par diffraktionsgitter för att sträcka ut pulsen, öka dess varaktighet och minska dess toppeffekt. Den sträckta pulsen kan sedan passera genom en optisk förstärkare och få effekt utan att skada några optiska komponenter. Ett annat gitterpar i den omvända konfigurationen kan komprimera pulslängden efter förstärkning och producera en kort, hög-effektpuls vid målet (Figur 8).

Figur 8. Gitter kan användas i pulsade lasersystem både för att öka pulslängden-för att förhindra laser-inducerad skada-och för att minska pulslängden, vilket ger hög-effektpulser vid målet.