Difraksion panjaralar

Optik dispersiv elementlar · Spektroskopiya · Lazerlar · Telekom · Manba: PhotonLab

Diffraktsiya panjaralari spektrometrlar, boshqa analitik asboblar, telekommunikatsiyalar va lazer tizimlarini o'z ichiga olgan keng ko'lamli dasturlarda asosiy optik komponentlardir. Panjara mikroskopik davriy truba tuzilishini o'z ichiga oladi, bu yorug'likni diffraktsiya orqali bir nechta nur yo'llariga bo'lib, turli to'lqin uzunlikdagi yorug'likning turli yo'nalishlarda tarqalishiga olib keladi. Bu diffraktsiya panjarasini funktsional jihatdan dispers prizmaga o'xshash qiladi, garchi prizma to'lqin uzunliklarini diffraksiyaga emas, balki to'lqin uzunligiga-bog'liq sinishi bo'yicha ajratadi (1-rasm).

Shakl 1. Dispers prizma to'lqin uzunliklarini sinishi (yuqori), sirt tuzilishi (pastki) tufayli difraksion panjara to'lqin uzunliklarini diffraktsiya yo'li bilan ajratadi.

Panjaraga tushayotgan yorug'lik panjara tenglamasi bo'yicha diffraktsiyalanadi:

Bu yerga,mdiffraktsiya (yoki spektral) tartibini tavsiflovchi butun son,λyorug'lik to'lqin uzunligi,d- bu panjara ustidagi oluklar orasidagi masofa, tushish burchagi, va - panjaradan chiqadigan yorug'likning diffraktsiya burchagi. Turli xil difraksion to'lqin jabhalarining konstruktiv interferensiyasi to'lqin uzunligining butun sonli ko'paytmalarida sodir bo'ladi, shuning uchun (1) tenglamada "m" paydo bo'ladi.mdiffraktsiya tartibini belgilaydi:m= 1 birinchi{1}}tartibli difraksiya deb ataladi,m= 2 ikkinchi tartibli difraksiya-va hokazo (2-rasm). Agarm= 0, yorug'lik to'g'ridan-to'g'ri panjaradan aks ettiriladi yoki aks ettirish yoki uzatish panjarasi bo'lishiga qarab u orqali uzatiladi; bu nol{1}}tartibli difraksiya deyiladi. Dispersiv prizmadan farqli o'laroq, qisqaroq to'lqin uzunliklari har doim to'g'ridan-to'g'ri aks ettirilgan yoki uzatiladigan nurga- yaqinroq bo'ladi, bu holda 0-tartib. Turli xil buyurtmalar o'rtasida ba'zi bir o'xshashliklar mavjud. Barcha burchaklar panjara normalidan (panjaraga perpendikulyar) o'lchanadi.

2-rasm. Ba'zi yorug'lik to'g'ridan-to'g'ri 0{2}}tartibli difraksiya sifatida aks etadi, tushayotgan yorug'likning boshqa qismlari to'lqin uzunligiga qarab birinchi-tartibli burchaklarga difraksiyalanadi. Kichikroq miqdorlar yuqori-2-burchak- va 3-tartibli difraksiyaga ajratiladi.

Panjara tanlashda nimani e'tiborga olish kerak

Panjara tanlashda to'lqin uzunligi diapazonini, olov to'lqin uzunligini (difraksiyalangan spektrda eng yuqori samaradorlikka ega to'lqin uzunligi) va olov burchagini belgilash muhimdir. Yong'in burchagi olov to'lqin uzunligining birinchi-tartibdagi diffraktsiya burchagini tavsiflaydi. Bu burchakda va (1) tenglamada ular teng bo'lib, tushayotgan yorug'lik o'zi kelgan yo'nalishda orqaga tarqaladi. Bu holat Littrow konfiguratsiyasi deb ham ataladi. Ushbu burchakka yaqinroq ishlash eng yuqori samaradorlikni beradi.

Yivning zichligi yoki yiv chastotasi odatda belgilanadi. Bu truba oralig'ining teskarisidird. Optik tizimning asosiy xususiyati uning dispersiyasidir, lekin bu panjara xususiyatlariga va panjara qanday ishlatilishiga bog'liq. Boshqa tizim tafsilotlarisiz, faqat panjaraga "ma'lum bir aylanish ma'lum bir to'lqin uzunligini ajratishga to'g'ri keladi" kabi qoidani belgilash mumkin emas. Panjaraning ajralish kuchi ham belgilanishi mumkin va u tizimning spektral o'lchamlari bilan bog'liq. Biroq, bu o'lchamlari panjara va tizimning kirish va chiqish yoriqlariga bog'liq. Panjaraning hal qiluvchi kuchiRspektral tartibiga bog'liqmva yorug'lik ostidagi oluklar soniN:

Odatda shu qadar ko'p oluklar yoritilganki, kirish va chiqish tirqishlari-panjara emas-tizim o'lchamlarini cheklaydi. Samaradorlik egri chiziqlari ilovada ishlatiladigan barcha to'lqin uzunliklarida diffraktsiya darajasini tekshirish uchun ham ishlatilishi mumkin.

Panjara hech bo'lmaganda tushayotgan yorug'lik konusi yoki nuri kabi katta bo'lishi kerak; aks holda qirralarning yorug'ligi yo'qoladi. Shuning uchun, adashgan yorug'likning tizim atrofida sakrab o'tishi va noto'g'ri signallar paydo bo'lishining oldini olish uchun panjara har doim kam to'ldirilishi kerak.

Panjara turlari

Ko'zgu panjaralari va uzatish panjaralari

Ikkita eng keng toifalar - ko'zgu panjaralari va uzatish panjaralari. 1 va 2-rasmlarda ko'zgu panjaralari ko'rsatilgan: asosan mikroskopik oluklar bilan oynalar. Barcha difraksiyalangan tartiblar panjaradan turli burchaklarda aks etadi. Transmissiya panjarasi mikroskopik yivlari bo'lgan linzaga o'xshaydi: barcha difraksion tartiblar panjara orqali o'tadi, lekin (1) tenglamada berilgan burchaklar bilan qoplanadi.

Boshqaruvli panjaralar va golografik panjaralar

Ko'zgu va uzatish panjaralarini qo'shimcha ravishda boshqariladigan panjaralar va gologramma panjaralarga bo'lish mumkin, ular truba profillari qanday yaratilganligi bilan farqlanadi. Boshqaruvli panjaralarda oluklar mexanik ravishda o'yilgan yoki komponentga kesilgan. Golografik panjaralarda oluklar optik tarzda kiritiladi: fotorezist deb ataladigan fotosensitiv material substratga yotqiziladi va optik interferentsiyaga duchor bo'ladi. Keyin qolgan fotorezist kimyoviy yo'l bilan olib tashlanadi va panjara naqshini qoldiradi. Boshqaruvli panjaralar odatda uchburchak yivlarga ega (3-rasm), gologramma panjaralarda esa odatda sinusoidal yivlar mavjud (3 va 4-rasm).

Shakl 3. Ruxsat etilgan diffraktsiya panjaralari odatda uchburchak yivlarga ega. Panjara ustidagi o'q: olov yo'nalishi.

Shakl 4. Golografik difraksion panjaralar odatda sinusoidal oluklarga ega.

Echelle Gratings

Eshelle panjara oddiy panjaralarga qaraganda kattaroq truba oralig'i yoki pastroq zichlik bilan tavsiflanadi{0}}odatda 10×, ba'zan esa 100× gacha. Eshelle panjarasini yuqori tushish burchagida yoritish ( ) yuqori dispersiya, yuqori aniqlik va past qutblanishga bog'liq samaradorlik- hosil qiladi. Bu panjaralar nozik astronomik asboblar va atom{6}}darajali ruxsatni ta'minlovchi tizimlar kabi yuqori aniqlikni talab qiluvchi ilovalar uchun juda mos keladi.

Samolyot panjaralari va konkav panjaralari

Yuqoridagi barcha panjara turlarini ularning umumiy shaklini tavsiflovchi tekislik panjaralari va konkav panjaralarga bo'lish mumkin. Samolyot panjaralari tekis va keng tarqalgan. Agar oluklar to'g'ri va bir xil masofada joylashgan bo'lsa, panjara tekis bo'lsa va tushayotgan yorug'lik kollimatsiyalangan bo'lsa, u holda barcha tarqaladigan yorug'lik kollimatsiyalangan bo'lib qoladi. Bu ko'pgina ilovalarda foydalidir, chunki tizimning fokuslash xususiyatlari to'lqin uzunligidan mustaqil bo'ladi. Konkav panjaralari bilan solishtirganda, tekislik panjaralari odatda tizimning murakkabligini kamaytiradi. Konkav panjaralari egri, shuning uchun ular yorug'likni birlashtiradi yoki ajratib turadi. Bu tizimdagi optik komponentlarning umumiy sonini kamaytirish uchun foydalidir, ammo fokuslash xususiyatlari to'lqin uzunligiga bog'liq.

Grating ilovalari

Monoxromatorlar

Monoxromator tushayotgan yorug'likdan tor chiziqni tanlash uchun nometall bilan birgalikda konkav yoki tekis panjaradan foydalanadi. Agar bunday qurilmaga oq yorug'lik manbasi- kirsa, u mo'ljallangan tor chiqish diapazonidan tashqari barcha to'lqin uzunliklarini filtrlaydi. 5-rasmda monoxromator panjarani qanday aylantirishi ko'rsatilgan, shuning uchun boshqa barcha to'lqin uzunliklari bloklangan holda chiqish tirqishidan turli to'lqin uzunliklari o'tadi.

5-rasm. Tekis{1}}panjara monoxromatori (yuqorida) va konkav{2}}panjarali monoxromator (pastki) ikkalasi chiqish tirqishi bo‘ylab diffraksiya tartiblarini skanerlash uchun panjarani aylantiradi va qaysi to‘lqin uzunliklari qurilmadan chiqib ketishini aniq aniqlaydi.

Spektrometrlar

Monoxromatorlar singari, spektrometrlar ham keng polosali manbaning to'lqin uzunliklarini ajratib turadi, lekin ularning harakatlanuvchi qismlari yo'q. Buning o'rniga, barcha ajratilgan to'lqin uzunliklari bir vaqtning o'zida detektor massivida tasvirlanadi (6-rasm). Har bir to'lqin uzunligi turli xil piksellar to'plamida tasvirlanadi, bu esa qurilmaga keng polosali manbada har bir to'lqin uzunligi qancha ekanligini aniqlash imkonini beradi. Spektrometrlar odatda tezkor spektral tahlil zarur bo'lganda qo'llaniladi, chunki detektor bo'ylab to'lqin uzunliklarini skanerlashning hojati yo'q, vaqtni tejaydi.

6-rasm. Tekis{1}}panjarali spektrometr (yuqori) va konkav{2}}panjarali spektrometr (pastki) ikkalasi ham tushuvchi to‘lqin uzunliklarini detektor massivining turli piksellariga ajratish uchun qattiq panjaradan foydalanadi.

Lazer bilan sozlash

Lazerning spektral chiqishini sozlash yoki uning chiqish diapazonini toraytirish uchun diffraktsiya panjarasidan foydalanishning bir necha usullari mavjud. Panjara faqat ma'lum bir diffraktsiya tartibi lazerni tark etadigan tarzda aylantirilishi mumkin; chiqish bandini filtrlash uchun oyna aylanayotganda panjara harakatsiz qolishi mumkin; yoki panjara chiqish bandini toraytirish uchun lazer ichidagi oynani almashtirishi mumkin (7-rasm).

Shakl 7. Ushbu uchta o'rnatish lazerning chiqish to'lqin uzunligini sozlash yoki chiqish to'lqin uzunligi diapazonini toraytirish uchun panjaradan foydalanishning turli usullarini ko'rsatadi.

Lazer zarbasini cho'zish, siqish va kuchaytirish

Ultrafast impulslar kabi qisqa lazer impulslari ko'pincha sezgir optik qoplamalar va komponentlarga zarar etkazishi mumkin bo'lgan yuqori quvvatga ega. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun ba'zan pulsni cho'zish, uning davomiyligini oshirish va eng yuqori quvvatini kamaytirish uchun bir juft diffraktsiya panjaralari ishlatiladi. Keyin cho'zilgan impuls optik kuchaytirgichdan o'tib, hech qanday optik komponentlarga zarar bermasdan kuchga ega bo'lishi mumkin. Teskari konfiguratsiyadagi boshqa panjara juftligi kuchaytirilgandan so'ng puls davomiyligini siqib, nishonda qisqa, yuqori{3}}quvvat impulsini hosil qilishi mumkin (8-rasm).

8-rasm. Impulsli lazer tizimlarida panjaralardan pulsning davomiyligini oshirish-lazer{2}}zararlanishining oldini olish- hamda zarba davomiyligini kamaytirish, maqsadda yuqori{4}}quvvat impulslarini hosil qilish uchun foydalanish mumkin.