Reixes de difracció

Elements òptics dispersius · Espectroscòpia · Làsers · Telecomunicacions · Font: PhotonLab

Les reixes de difracció són components òptics clau en una àmplia gamma d'aplicacions, com ara espectròmetres, altres instruments analítics, telecomunicacions i sistemes làser. Una reixa conté una estructura microscòpica de solc periòdic que divideix la llum incident en múltiples camins de feix mitjançant la difracció, fent que la llum de diferents longituds d'ona es propagui en diferents direccions. Això fa que una xarxa de difracció sigui funcionalment similar a un prisma dispersiu, tot i que un prisma separa les longituds d'ona per refracció depenent de la longitud d'ona-en lloc de per difracció (figura 1).

Figura 1. Un prisma dispersiu separa les longituds d'ona per refracció (a dalt), mentre que una xarxa de difracció separa les longituds d'ona per difracció a causa de la seva estructura superficial (a baix).

La llum incident sobre una xarxa es difracta segons l'equació de la xarxa:

Aquí,més un nombre enter que descriu l'ordre de difracció (o espectral),λés la longitud d'ona de la llum,dés l'espai entre les ranures de la reixa, és l'angle d'incidència, i és l'angle difractat de la llum que surt de la xarxa. La interferència constructiva de diferents fronts d'ona difractats es produeix en múltiples enters de la longitud d'ona, per això apareix "m" a l'equació (1).mdefineix l'ordre de difracció:m= 1 s'anomena difracció de primer-ordre,m= 2 és la difracció de segon-ordre, i així successivament (figura 2). Sim= 0, la llum es reflecteix directament des de la reixa o es transmet a través d'ella, depenent de si es tracta d'una reixa de reflexió o de transmissió; això s'anomena difracció d'ordre zero-. A diferència d'un prisma dispersiu, les longituds d'ona més curtes sempre estan més a prop de la llum directament reflectida o transmesa-en aquest cas, l'ordre 0. Hi ha alguns solapaments entre diferents ordres. Tots els angles es mesuren des de la normal de la xarxa (perpendicular a la xarxa).

Figura 2. Una part de la llum es reflecteix directament com a difracció de -ordre 0, mentre que altres parts de la llum incident es difracten en angles de primer-ordre en funció de la longitud d'ona. Les quantitats més petites es separen en -angles de 2n- i 3r-difracció d'ordre.

Què cal tenir en compte a l'hora d'escollir una reixa

A l'hora de seleccionar una xarxa, és important especificar el rang de longitud d'ona, la longitud d'ona de flama (la longitud d'ona amb la més alta eficiència en l'espectre difractat) i l'angle de flama. L'angle d'incendi descriu l'angle de difracció de primer-ordre de la longitud d'ona de l'incendi. En aquest angle, i en l'equació (1) són iguals, i la llum incident es difracta de nou en la direcció d'on prové. Aquesta condició també s'anomena configuració de Littrow. El funcionament a prop d'aquest angle proporciona la màxima eficiència.

Normalment s'especifica la densitat de solc, o freqüència de solc. És la inversa de l'espai entre solcsd. Una propietat clau d'un sistema òptic és la seva dispersió, però això depèn tant de les propietats de la reixa com de com s'utilitza. Sense altres detalls del sistema, a una reixa sola no se li pot assignar una regla com ara "una certa rotació correspon a una certa separació de longituds d'ona". També es pot especificar el poder de resolució d'una xarxa i es relaciona amb la resolució espectral del sistema. Tanmateix, aquesta resolució depèn tant de la reixa com de les ranures d'entrada i sortida del sistema. El poder de resolució de la reixaRdepèn de l'ordre espectralmi el nombre de ranures sota il·luminacióN:

Normalment s'il·luminen tantes ranures que les ranures d'entrada i sortida-no la reixa- limiten la resolució del sistema. Les corbes d'eficiència també es poden utilitzar per verificar el nivell de difracció a totes les longituds d'ona utilitzades a l'aplicació.

Una reixa ha de ser almenys tan gran com el con o el feix de llum incident; en cas contrari es perdrà la llum de les vores. Per tant, sempre s'ha d'omplir una reixa per evitar que la llum dispersa reboti al voltant del sistema i generi senyals falsos.

Tipus de reixes

Reixes de reflexió vs. Reixes de transmissió

Les dues categories més àmplies són les reixes de reflexió i les reixes de transmissió. Les figures 1 i 2 mostren reixes de reflexió: essencialment miralls amb solcs microscòpics. Tots els ordres difractats es reflecteixen des de la xarxa en diferents angles. Una reixeta de transmissió és com una lent amb solcs microscòpics: tots els ordres difractats passen per la reixa, però estan compensats pels angles donats a l'equació (1).

Reixes reglades vs. Reixes hologràfiques

Tant les reixes de reflexió com les de transmissió es poden dividir en reixes reglades i reixes hologràfiques, que es diferencien en com es creen els perfils de ranura. A les reixes reglades, les ranures es gravan o es tallen mecànicament al component. En les reixes hologràfiques, les ranures s'introdueixen òpticament: un material fotosensible anomenat fotoresist es diposita sobre un substrat i s'exposa a un patró d'interferència òptica. A continuació, la fotoresistència restant s'elimina químicament, deixant el patró de reixeta. Les reixes reglades solen tenir solcs triangulars (figura 3), mentre que les reixes hologràfiques solen tenir solcs sinusoïdals (figures 3 i 4).

Figura 3. Les reixes de difracció reglades solen tenir solcs triangulars. Fletxa a la reixa: direcció de l'incendi.

Figura 4. Les xarxes de difracció hologràfica solen tenir solcs sinusoïdals.

Echelle Gratings

Una reixeta echelle es caracteritza per un espai de solc més gran o una densitat de solc més baixa que les reixes normals-normalment aproximadament 10 ×, i de vegades fins a 100 ×. La il·luminació d'una reixeta echelle amb un angle d'incidència elevat ( ) produeix una alta dispersió, una alta resolució i una baixa eficiència depenent de la polarització-. Aquestes reixetes són molt adequades per a aplicacions que requereixen alta resolució, com ara instruments astronòmics sensibles i sistemes que busquen una resolució a nivell-atòmic.

Reixes planes vs. Reixes còncaves

Tots els tipus de reixes anteriors es poden dividir en reixes planes i reixes còncaves, descrivint la seva forma general. Les reixes planes són planes i més habituals. Si els solcs són rectes i igualment espaiats, la reixa és plana i la llum incident es col·lima, aleshores tota la llum difractada roman col·limada. Això és beneficiós en moltes aplicacions perquè les propietats d'enfocament del sistema esdevenen independents de la longitud d'ona. En comparació amb les reixes còncaves, les reixes planes també solen reduir la complexitat del sistema. Les reixes còncaves són corbes, de manera que convergeixen o divergeixen la llum. Això és útil per reduir el nombre total de components òptics en un sistema, però les propietats d'enfocament depenen de la longitud d'ona.

Aplicacions de reixeta

Monocromadors

Un monocromador utilitza una reixa còncava o plana juntament amb miralls per seleccionar una banda estreta de la llum incident. Si una font de llum blanca-entra en aquest dispositiu, filtra totes les longituds d'ona excepte la banda de sortida estreta prevista. La figura 5 mostra com un monocromador gira la reixa de manera que diferents longituds d'ona passen per la ranura de sortida mentre que totes les altres longituds d'ona estan bloquejades.

Figura 5. El monocromador de reixeta plana-(superior) i el monocromador de reixeta còncava-(inferior) fan girar la reixeta per escanejar ordres de difracció a través de la ranura de sortida i determinar amb precisió quines longituds d'ona poden sortir del dispositiu.

Espectròmetres

Igual que els monocromadors, els espectròmetres separen les longituds d'ona d'una font de banda ampla, però no tenen parts mòbils. En canvi, totes les longituds d'ona separades s'imatgen simultàniament en una matriu de detectors (figura 6). Cada longitud d'ona s'imatge en un conjunt diferent de píxels, cosa que permet al dispositiu determinar quant de cada longitud d'ona existeix a la font de banda ampla. Els espectròmetres s'utilitzen normalment quan es requereix una anàlisi espectral ràpida, perquè no cal escanejar longituds d'ona a través d'un detector, estalviant temps.

Figura 6. L'espectròmetre de reixeta plana-(superior) i l'espectròmetre de reixeta còncava- (inferior) utilitzen una xarxa fixa per separar les longituds d'ona incident en diferents píxels d'una matriu de detectors.

Afinació làser

Hi ha diverses maneres d'utilitzar una xarxa de difracció per ajustar la sortida espectral d'un làser o reduir la seva banda de sortida. La reixa es pot girar de manera que només un ordre de difracció específic surti del làser; la reixa pot romandre estacionària mentre un mirall gira per filtrar la banda de sortida; o la reixeta pot substituir un mirall dins del làser per reduir la banda de sortida (figura 7).

Figura 7. Aquestes tres configuracions mostren diferents maneres d'utilitzar una reixa per ajustar la longitud d'ona de sortida del làser o reduir el rang de longitud d'ona de sortida.

Estirament, compressió i amplificació del pols làser

Els polsos làser curts, com els polsos ultra ràpids, solen tenir una potència màxima elevada que pot danyar els recobriments i components òptics sensibles. Per evitar-ho, de vegades s'utilitza un parell de reixes de difracció per estirar el pols, augmentant la seva durada i reduint la seva potència màxima. El pols estirat pot passar a través d'un amplificador òptic i obtenir potència sense danyar cap components òptics. Un altre parell de reixes en la configuració inversa pot comprimir la durada del pols després de l'amplificació, produint un pols curt i d'alta potència -a l'objectiu (figura 8).

Figura 8. Les reixes es poden utilitzar en sistemes làser polsat tant per augmentar la durada del pols-prevenir els danys induïts-el làser-com per disminuir la durada del pols, produint polsos d'alta-potència a l'objectiu.