توری های پراش

عناصر پراکنده نوری · طیف سنجی · لیزرها · مخابرات · منبع: PhotonLab

گریتینگ های پراش اجزای نوری کلیدی در طیف وسیعی از کاربردها از جمله طیف سنج ها، سایر ابزارهای تحلیلی، مخابرات و سیستم های لیزری هستند. یک گریتینگ حاوی یک ساختار شیار تناوبی میکروسکوپی است که نور فرودی را از طریق پراش به مسیرهای پرتوهای متعدد تقسیم می کند و باعث می شود نور با طول موج های مختلف در جهات مختلف منتشر شود. این باعث می‌شود که یک توری پراش از نظر عملکردی شبیه به یک منشور پراکنده باشد، اگرچه یک منشور طول‌موج‌ها را به جای پراش، بر اساس طول موج-شکس وابسته جدا می‌کند (شکل 1).

شکل 1. یک منشور پراکنده طول موج ها را با شکست (بالا) جدا می کند، در حالی که یک توری پراش به دلیل ساختار سطحی (پایین) طول موج ها را با پراش جدا می کند.

تابش نور بر روی یک توری با توجه به معادله گریتینگ پراش می شود:

اینجا،mیک عدد صحیح است که نظم پراش (یا طیفی) را توصیف می کند،λطول موج نور است،dفاصله بین شیارهای روی توری است، زاویه تابش است و زاویه پراش نور خروجی از توری است. تداخل سازنده جبهه‌های موج پراش مختلف در مضرب‌های صحیح طول موج رخ می‌دهد، به همین دلیل است که "m" در رابطه (1) ظاهر می‌شود.mترتیب پراش را تعریف می کند:m= 1 پراش مرتبه اول- نامیده می‌شود،m= 2 پراش مرتبه دوم- و غیره است (شکل 2). اگرm= 0، بسته به اینکه بازتابی یا انتقالی باشد، نور یا مستقیماً از توری منعکس می‌شود یا از طریق آن منتقل می‌شود. این پراش مرتبه صفر- نامیده می شود. برخلاف منشور پراکنده، طول موج‌های کوتاه‌تر همیشه نزدیک‌تر به نور منعکس‌شده یا عبوری است-در این مورد، مرتبه 0. برخی از همپوشانی بین سفارشات مختلف وجود دارد. تمام زوایا از توری معمولی (عمود بر توری) اندازه گیری می شوند.

شکل 2. مقداری از نور مستقیماً به عنوان پراش مرتبه 0 منعکس می شود، در حالی که سایر بخش های نور فرودی بسته به طول موج به زوایای مرتبه اول پراکنده می شوند. مقادیر کوچکتر به پراش مرتبه-زاویه دوم- و 3- بالاتر تقسیم می‌شوند.

هنگام انتخاب توری باید به چه نکاتی توجه کرد

هنگام انتخاب گریتینگ، تعیین محدوده طول موج، طول موج شعله (طول موج با بیشترین بازده در طیف پراش) و زاویه شعله بسیار مهم است. زاویه شعله اولین زاویه پراش مرتبه-طول موج شعله را توصیف می کند. در این زاویه و در معادله (1) برابر هستند و نور فرودی در جهتی که از آن آمده است منعکس می شود. این حالت پیکربندی Littrow نیز نامیده می شود. عملکرد نزدیک به این زاویه بیشترین بازده را به همراه دارد.

تراکم شیار یا فرکانس شیار معمولاً مشخص می شود. معکوس فاصله شیارها استd. یکی از ویژگی‌های کلیدی یک سیستم نوری پراکندگی آن است، اما این به ویژگی‌های گریتینگ و نحوه استفاده از گریتینگ بستگی دارد. بدون جزئیات دیگر سیستم، یک گریتینگ به تنهایی نمی تواند قاعده ای مانند "چرخش معین مربوط به جداسازی طول موج معینی است" اختصاص دهد. قدرت تفکیک گریتینگ نیز ممکن است مشخص شود و به وضوح طیفی سیستم مربوط می شود. با این حال، این وضوح هم به گریتینگ و هم به شکاف ورودی و خروجی سیستم بستگی دارد. قدرت تفکیک گریتینگRبه ترتیب طیفی بستگی داردmو تعداد شیارهای زیر نورN:

معمولاً آنقدر شیارها روشن می شوند که شکاف های ورودی و خروجی-نه توری{1}} وضوح سیستم را محدود می کند. منحنی های بازده همچنین می توانند برای تأیید سطح پراش در تمام طول موج های مورد استفاده در برنامه مورد استفاده قرار گیرند.

یک توری باید حداقل به اندازه مخروط یا پرتو نور فرودی باشد. در غیر این صورت نور از لبه ها از بین می رود. بنابراین، برای جلوگیری از تابش نور سرگردان به اطراف سیستم و تولید سیگنال های نادرست، یک گریتینگ باید همیشه کم پر باشد.

انواع گریتینگ

گریتینگ های بازتابی در مقابل گریتینگ های انتقال

دو دسته گسترده تر، گریتینگ های بازتابی و گریتینگ های انتقال هستند. شکل های 1 و 2 شبکه های بازتابی را نشان می دهند: اساساً آینه هایی با شیارهای میکروسکوپی. همه سفارشات پراش شده از توری در زوایای مختلف منعکس می شوند. یک توری انتقال مانند یک عدسی با شیارهای میکروسکوپی است: تمام نظم های پراش شده از توری عبور می کنند، اما با زوایای ارائه شده در رابطه (1) جبران می شوند.

گریتینگ های حاکم در مقابل گریتینگ های هولوگرافیک

هر دو گریتینگ بازتابی و انتقال را می توان به گریتینگ های خط دار و گریتینگ های هولوگرافیک تقسیم کرد که در نحوه ایجاد پروفیل های شیار متفاوت است. در توری های خط دار، شیارها به صورت مکانیکی حکاکی یا برش داده می شوند. در گریتینگ های هولوگرافیک، شیارها به صورت نوری معرفی می شوند: یک ماده حساس به نور به نام مقاوم به نور روی یک بستر رسوب می کند و در معرض یک الگوی تداخل نوری قرار می گیرد. سپس فوتوریست باقیمانده به روش شیمیایی حذف می شود و الگوی توری باقی می ماند. توری های خط دار معمولا دارای شیارهای مثلثی هستند (شکل 3)، در حالی که گریتینگ های هولوگرافی معمولا دارای شیارهای سینوسی هستند (شکل 3 و 4).

شکل 3. توری های پراش قاعده دار معمولاً دارای شیارهای مثلثی هستند. فلش روی توری: جهت شعله.

شکل 4. گریتینگ های پراش هولوگرافیک معمولاً دارای شیارهای سینوسی هستند.

اشل گریتینگ

یک گریتینگ اکسل با فاصله شیارهای بزرگتر یا تراکم شیار کمتر نسبت به گریتینگ های معمولی-معمولاً حدود 10× و گاهی تا 100× مشخص می شود. روشن کردن یک توری اکسل در زاویه تابش بالا ( ) باعث ایجاد کارایی وابسته به پراکندگی بالا، وضوح بالا و قطبش پایین{4}}می شود. این گریتینگ‌ها برای برنامه‌هایی که به وضوح بالا نیاز دارند، مانند ابزارهای حساس نجومی و سیستم‌هایی که به دنبال تفکیک سطح اتمی هستند، مناسب هستند.

توری های صفحه در مقابل گریتینگ های مقعر

تمام انواع توری های فوق را می توان به توری های صاف و توری های مقعر تقسیم کرد و شکل کلی آنها را توصیف کرد. توری های صفحه صاف و رایج تر هستند. اگر شیارها مستقیم و با فواصل مساوی باشند، توری مسطح است و نور فرودی همسو می شود، آنگاه تمام نورهای پراش شده همسو می ماند. این در بسیاری از کاربردها مفید است زیرا خواص تمرکز سیستم مستقل از طول موج می شود. در مقایسه با گریتینگ های مقعر، گریتینگ های صفحه نیز معمولا پیچیدگی سیستم را کاهش می دهند. توری های مقعر منحنی هستند، بنابراین نور را یا همگرا یا واگرا می کنند. این برای کاهش تعداد کل اجزای نوری در یک سیستم مفید است، اما خواص فوکوس سپس به طول موج بستگی دارد.

برنامه های کاربردی گریتینگ

تک رنگ ها

یک تک رنگ از یک توری مقعر یا صفحه ای همراه با آینه ها برای انتخاب یک نوار باریک از نور فرودی استفاده می کند. اگر یک منبع نور سفید- وارد چنین دستگاهی شود، تمام طول موج ها به جز باند باریک خروجی مورد نظر را فیلتر می کند. شکل 5 نشان می دهد که چگونه یک تک رنگ گریتینگ را می چرخاند تا طول موج های مختلف از شکاف خروجی عبور کنند در حالی که تمام طول موج های دیگر مسدود شده اند.

شکل 5. تک رنگ گریتینگ صفحه-تک رنگ گریتینگ (بالا) و مقعر{2}}تک رنگ گریتینگ (پایین) هر دو توری را می چرخانند تا ترتیبات پراش را در سراسر شکاف خروجی اسکن کنند و دقیقاً تعیین کنند که کدام طول موج ممکن است از دستگاه خارج شود.

طیف سنج ها

مانند تک رنگ‌ها، طیف‌سنج‌ها طول موج یک منبع پهن باند را جدا می‌کنند، اما هیچ بخش متحرکی ندارند. در عوض، تمام طول موج های جدا شده به طور همزمان روی یک آرایه آشکارساز تصویر می شوند (شکل 6). هر طول موج بر روی مجموعه متفاوتی از پیکسل ها تصویر می شود و به دستگاه اجازه می دهد تا تعیین کند که چه مقدار از هر طول موج در منبع پهن باند وجود دارد. طیف‌سنج‌ها معمولاً زمانی استفاده می‌شوند که تجزیه و تحلیل سریع طیفی مورد نیاز باشد، زیرا نیازی به اسکن طول موج‌ها در سراسر آشکارساز نیست و در زمان صرفه‌جویی می‌شود.

شکل 6. طیف‌سنج صفحه{1}}طیف‌سنج توری (بالا) و مقعر{2}}طیف‌سنج توری (پایین) هر دو از یک توری ثابت برای جدا کردن طول موج‌های فرودی روی پیکسل‌های مختلف آرایه آشکارساز استفاده می‌کنند.

تنظیم لیزری

راه های مختلفی برای استفاده از توری پراش برای تنظیم خروجی طیفی لیزر یا باریک کردن باند خروجی آن وجود دارد. توری را می توان به گونه ای چرخاند که فقط یک مرتبه پراش خاص از لیزر خارج شود. گریتینگ می تواند ثابت بماند در حالی که یک آینه می چرخد ​​تا نوار خروجی را فیلتر کند. یا گریتینگ می تواند جایگزین یک آینه در داخل لیزر شود تا نوار خروجی را باریک کند (شکل 7).

شکل 7. این سه راه‌اندازی راه‌های مختلفی را نشان می‌دهند که از یک گریتینگ برای تنظیم طول موج خروجی لیزر یا محدود کردن محدوده طول موج خروجی استفاده می‌شود.

کشش، فشرده سازی و تقویت پالس لیزر

پالس های لیزر کوتاه، مانند پالس های فوق سریع، اغلب دارای حداکثر توان بالایی هستند که می توانند به پوشش ها و اجزای حساس نوری آسیب برسانند. برای جلوگیری از این امر، گاهی اوقات از یک جفت توری پراش برای کشش پالس استفاده می‌شود که طول آن را افزایش داده و قدرت پیک آن را کاهش می‌دهد. سپس پالس کشیده شده می تواند از یک تقویت کننده نوری عبور کند و بدون آسیب رساندن به اجزای نوری قدرت بدست آورد. یک جفت گریتینگ دیگر در پیکربندی معکوس می‌تواند مدت زمان پالس را پس از تقویت فشرده کند و یک پالس کوتاه{3}}در هدف تولید کند (شکل 8).

شکل 8. گریتینگ ها را می توان در سیستم های لیزر پالسی هم برای افزایش مدت زمان پالس استفاده کرد-جلوگیری از آسیب ناشی از لیزر-و هم برای کاهش مدت زمان پالس، تولید پالس های توان{{4} بالا در هدف.