Kisi Belauan

Unsur penyebaran optik · Spektroskopi · Laser · Telekom · Sumber: PhotonLab

Kisi difraksi ialah komponen optik utama dalam pelbagai aplikasi, termasuk spektrometer, instrumen analisis lain, telekomunikasi dan sistem laser. Kisi mengandungi struktur alur berkala mikroskopik yang membelah cahaya tuju kepada berbilang laluan rasuk melalui pembelauan, menyebabkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza merambat dalam arah yang berbeza. Ini menjadikan kisi pembelauan berfungsi serupa dengan prisma penyebaran, walaupun prisma memisahkan panjang gelombang mengikut pembiasan-panjang gelombang dan bukannya pembelauan (Rajah 1).

Rajah 1. Prisma serakan memisahkan panjang gelombang dengan biasan (atas), manakala parut pembelauan memisahkan panjang gelombang dengan pembelauan disebabkan oleh struktur permukaannya (bawah).

Kejadian cahaya pada jeriji dibezakan mengikut persamaan parut:

di sini,mialah integer yang menerangkan susunan pembelauan (atau spektrum),λialah panjang gelombang cahaya,dialah jarak antara alur pada parut, ialah sudut tuju, dan ialah sudut terbias cahaya yang meninggalkan jeriji. Gangguan konstruk bagi muka gelombang terbeza yang berbeza berlaku pada gandaan integer bagi panjang gelombang, itulah sebabnya "m" muncul dalam Persamaan (1).mmentakrifkan susunan pembelauan:m= 1 dipanggil pertama-pembelauan tertib,m= 2 ialah pembelauan tertib-kedua, dan seterusnya (Rajah 2). Jikam= 0, cahaya sama ada dipantulkan terus daripada jeriji atau dipancarkan melaluinya, bergantung pada sama ada ia pantulan atau parut penghantaran; ini dipanggil sifar-belau tertib. Tidak seperti prisma serakan, panjang gelombang yang lebih pendek sentiasa lebih dekat dengan cahaya yang dipantulkan atau dihantar secara langsung-dalam kes ini, tertib ke-0. Beberapa pertindihan wujud antara pesanan yang berbeza. Semua sudut diukur dari parut biasa (berserenjang dengan parut).

Rajah 2. Sesetengah cahaya dipantulkan secara langsung sebagai pembelauan tertib-ke-0, manakala bahagian lain cahaya kejadian dibezakan ke sudut tertib-pertama bergantung pada panjang gelombang. Jumlah yang lebih kecil dipisahkan kepada pembelauan tertib-sudut ke-2- dan ke-3-yang lebih tinggi.

Perkara yang Perlu Dipertimbangkan Apabila Memilih Kisi

Apabila memilih parut, adalah penting untuk menentukan julat panjang gelombang, panjang gelombang nyala (panjang gelombang dengan kecekapan tertinggi dalam spektrum difraksi), dan sudut nyala. Sudut nyalaan menerangkan-sudut difraksi tertib pertama bagi panjang gelombang nyala. Pada sudut ini, dan dalam Persamaan (1) adalah sama, dan cahaya kejadian dibiaskan kembali ke arah dari mana ia datang. Keadaan ini juga dipanggil konfigurasi Littrow. Beroperasi hampir dengan sudut ini memberikan kecekapan tertinggi.

Ketumpatan alur, atau kekerapan alur, biasanya ditentukan. Ia adalah songsang bagi jarak alurd. Sifat utama sistem optik ialah penyebarannya, tetapi ini bergantung pada kedua-dua sifat parut dan cara parut digunakan. Tanpa butiran sistem lain, jeriji sahaja tidak boleh diberikan peraturan seperti "putaran tertentu sepadan dengan pemisahan panjang gelombang tertentu." Kuasa penyelesaian grating juga boleh ditentukan, dan ia berkaitan dengan resolusi spektrum sistem. Walau bagaimanapun, resolusi ini bergantung pada kedua-dua parut dan celah masuk dan keluar sistem. Kuasa penyelesaian jerijiRbergantung pada susunan spektrummdan bilangan alur di bawah pencahayaanN:

Biasanya begitu banyak alur diterangi sehingga celah masuk dan keluar-bukan parut-menghadkan resolusi sistem. Lengkung kecekapan juga boleh digunakan untuk mengesahkan tahap pembelauan merentas semua panjang gelombang yang digunakan dalam aplikasi.

Kisi hendaklah sekurang-kurangnya sama besar dengan kon cahaya kejadian atau rasuk; jika tidak cahaya dari tepi akan hilang. Oleh itu, jeriji hendaklah sentiasa kurang diisi untuk mengelakkan cahaya sesat daripada melantun di sekeliling sistem dan menghasilkan isyarat palsu.

Jenis-jenis Kisi

Kisi Refleksi lwn Kisi Transmisi

Dua kategori yang paling luas ialah jeriji pantulan dan jeriji transmisi. Rajah 1 dan 2 menunjukkan jeriji pantulan: pada asasnya cermin dengan alur mikroskopik. Semua susunan yang difraksi mencerminkan dari jeriji pada sudut yang berbeza. Kisi transmisi adalah seperti lensa dengan alur mikroskopik: semua susunan terbeza melalui parut, tetapi diimbangi oleh sudut yang diberikan dalam Persamaan (1).

Kisi-kisi Diperintah lwn. Kisi-kisi Holografik

Kedua-dua jeriji pantulan dan transmisi boleh dibahagikan lagi kepada jeriji berperintah dan jeriji holografik, yang berbeza dalam cara profil alur dicipta. Dalam jeriji diperintah, alur diukir secara mekanikal atau dipotong ke dalam komponen. Dalam grating holografik, alur diperkenalkan secara optik: bahan fotosensitif yang dipanggil photoresist didepositkan pada substrat dan terdedah kepada corak gangguan optik. Fotoresist yang tinggal kemudian dikeluarkan secara kimia, meninggalkan corak parut. Kisi berperingkat biasanya mempunyai alur segi tiga (Rajah 3), manakala jeriji holografik biasanya mempunyai alur sinusoidal (Rajah 3 dan 4).

Rajah 3. Kisi-kisi pembelauan diperintah biasanya mempunyai alur segi tiga. Anak panah pada parut: arah nyalaan.

Rajah 4. Kisi pembelauan holografik biasanya mempunyai alur sinusoidal.

Echelle Gratings

Kisi echelle dicirikan oleh jarak alur yang lebih besar atau ketumpatan alur yang lebih rendah daripada jeriji biasa-biasanya kira-kira 10×, dan kadangkala sehingga 100×. Menyinari kisi echelle pada sudut kejadian yang tinggi ( ) menghasilkan serakan yang tinggi, resolusi tinggi dan kecekapan bergantung-polarisasi rendah. Kisi-kisi ini sangat sesuai untuk aplikasi yang memerlukan peleraian tinggi, seperti instrumen astronomi sensitif dan sistem yang mengejar peleraian peringkat-atom.

Kisi Satah lwn Kisi Cekung

Semua jenis parut di atas boleh dibahagikan lagi kepada grating satah dan grating cekung, menerangkan bentuk keseluruhannya. Kisi satah adalah rata dan lebih biasa. Jika alur lurus dan jarak yang sama, jeriji adalah rata, dan cahaya tuju disatukan, maka semua cahaya yang difraksi kekal dikolimasikan. Ini bermanfaat dalam banyak aplikasi kerana sifat pemfokusan sistem menjadi bebas daripada panjang gelombang. Berbanding dengan jeriji cekung, jeriji satah juga biasanya mengurangkan kerumitan sistem. Kisi cekung adalah melengkung, jadi ia sama ada menumpu atau mencapah cahaya. Ini berguna untuk mengurangkan jumlah komponen optik dalam sistem, tetapi sifat pemfokusan kemudiannya bergantung pada panjang gelombang.

Aplikasi Kisi

Monochromators

Monokromator menggunakan parut cekung atau satah bersama-sama cermin untuk memilih jalur sempit daripada cahaya kejadian. Jika sumber cahaya-putih memasuki peranti sedemikian, ia menapis keluar semua panjang gelombang kecuali jalur keluaran sempit yang dimaksudkan. Rajah 5 menunjukkan bagaimana monokromator memutarkan jeriji supaya panjang gelombang yang berbeza melalui celah keluar manakala semua panjang gelombang lain disekat.

Rajah 5. Satah-monochromator parut (atas) dan cekung-monochromator parut (bawah) kedua-duanya memutarkan parut untuk mengimbas tertib pembelauan merentasi celah keluar dan menentukan dengan tepat panjang gelombang yang boleh meninggalkan peranti.

Spektrometer

Seperti monokromator, spektrometer memisahkan panjang gelombang sumber jalur lebar, tetapi ia tidak mempunyai bahagian yang bergerak. Sebaliknya, semua panjang gelombang yang dipisahkan diimej serentak pada tatasusunan pengesan (Rajah 6). Setiap panjang gelombang diimejkan pada set piksel yang berbeza, membolehkan peranti menentukan berapa banyak setiap panjang gelombang wujud dalam sumber jalur lebar. Spektrometer biasanya digunakan apabila analisis spektrum pantas diperlukan, kerana tidak perlu mengimbas panjang gelombang merentasi pengesan, menjimatkan masa.

Rajah 6. Satah-spektrometer parut (atas) dan cekung-spektrometer parut (bawah) kedua-duanya menggunakan parut tetap untuk memisahkan panjang gelombang kejadian pada piksel yang berbeza tatasusunan pengesan.

Penalaan Laser

Terdapat beberapa cara untuk menggunakan parut difraksi untuk menala keluaran spektrum laser atau mengecilkan jalur keluarannya. Kisi boleh diputar supaya hanya tertib pembelauan tertentu meninggalkan laser; parut boleh kekal pegun semasa cermin berputar untuk menapis jalur keluaran; atau parut boleh menggantikan cermin di dalam laser untuk menyempitkan jalur keluaran (Rajah 7).

Rajah 7. Ketiga-tiga tetapan ini menunjukkan cara yang berbeza parut digunakan untuk menala panjang gelombang keluaran laser atau menyempitkan julat panjang gelombang keluaran.

Regangan Denyut Laser, Mampatan dan Penguatan

Denyutan laser pendek, seperti denyutan ultrafast, selalunya mempunyai kuasa puncak tinggi yang boleh merosakkan salutan dan komponen optik yang sensitif. Untuk mengelakkan ini, sepasang jeriji pembelauan kadangkala digunakan untuk meregangkan nadi, meningkatkan tempohnya dan mengurangkan kuasa puncaknya. Nadi yang diregangkan kemudiannya boleh melalui penguat optik dan mendapat kuasa tanpa merosakkan sebarang komponen optik. Satu lagi pasangan parut dalam konfigurasi terbalik boleh memampatkan tempoh nadi selepas amplifikasi, menghasilkan nadi kuasa-yang pendek dan tinggi pada sasaran (Rajah 8).

Rajah 8. Kisi boleh digunakan dalam sistem laser berdenyut kedua-duanya untuk meningkatkan tempoh nadi-mencegah laser-kerosakan akibat-dan untuk mengurangkan tempoh nadi, menghasilkan-denyut kuasa tinggi pada sasaran.