Cách tử nhiễu xạ

Phần tử tán sắc quang học · Quang phổ · Laser · Viễn thông · Nguồn: PhotonLab

Cách tử nhiễu xạ là thành phần quang học quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm máy quang phổ, dụng cụ phân tích khác, viễn thông và hệ thống laser. Một cách tử chứa cấu trúc rãnh tuần hoàn cực nhỏ giúp phân chia ánh sáng tới thành nhiều đường chùm tia thông qua nhiễu xạ, khiến ánh sáng có bước sóng khác nhau truyền theo các hướng khác nhau. Điều này làm cho cách tử nhiễu xạ có chức năng tương tự như lăng kính tán sắc, mặc dù lăng kính phân tách các bước sóng bằng khúc xạ phụ thuộc bước sóng- chứ không phải nhiễu xạ (Hình 1).

Hình 1. Lăng kính tán sắc phân tách các bước sóng bằng khúc xạ (trên cùng), trong khi cách tử nhiễu xạ phân tách các bước sóng bằng nhiễu xạ do cấu trúc bề mặt của nó (phía dưới).

Ánh sáng tới cách tử bị nhiễu xạ theo phương trình cách tử:

Đây,mlà một số nguyên mô tả thứ tự nhiễu xạ (hoặc quang phổ),λlà bước sóng của ánh sáng,dlà khoảng cách giữa các rãnh trên lưới, là góc tới và là góc khúc xạ của ánh sáng rời khỏi cách tử. Giao thoa tăng cường của các mặt sóng nhiễu xạ khác nhau xảy ra ở bội số nguyên của bước sóng, đó là lý do tại sao "m" xuất hiện trong phương trình (1).mxác định thứ tự nhiễu xạ:m= 1 được gọi là nhiễu xạ-thứ tự đầu tiên,m= 2 là nhiễu xạ bậc hai-, v.v. (Hình 2). Nếu nhưm= 0, ánh sáng được phản xạ trực tiếp từ cách tử hoặc truyền qua nó, tùy thuộc vào việc đó là cách tử phản xạ hay cách tử truyền qua; điều này được gọi là nhiễu xạ bậc 0. Không giống như lăng kính tán sắc, các bước sóng ngắn hơn luôn gần với ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua trực tiếp-trong trường hợp này là bậc 0. Một số chồng chéo tồn tại giữa các đơn đặt hàng khác nhau. Tất cả các góc được đo từ pháp tuyến cách tử (vuông góc với cách tử).

Hình 2. Một số ánh sáng bị phản xạ trực tiếp dưới dạng nhiễu xạ bậc 0, trong khi các phần khác của ánh sáng tới bị nhiễu xạ thành các góc bậc 1 tùy thuộc vào bước sóng. Lượng nhỏ hơn được tách thành nhiễu xạ bậc-góc 2- và bậc 3-cao hơn.

Những điều cần cân nhắc khi chọn lưới

Khi chọn cách tử, điều quan trọng là phải xác định phạm vi bước sóng, bước sóng ngọn lửa (bước sóng có hiệu suất cao nhất trong phổ nhiễu xạ) và góc ngọn lửa. Góc ngọn lửa mô tả góc nhiễu xạ-thứ nhất của bước sóng ngọn lửa. Ở góc này và trong phương trình (1) bằng nhau và ánh sáng tới bị nhiễu xạ ngược theo hướng mà nó tới. Điều kiện này còn được gọi là cấu hình Littrow. Hoạt động gần góc này mang lại hiệu quả cao nhất.

Mật độ rãnh hoặc tần số rãnh thường được xác định. Nó là nghịch đảo của khoảng cách rãnhd. Một đặc tính quan trọng của hệ thống quang học là sự tán sắc của nó, nhưng điều này phụ thuộc vào cả đặc tính của cách tử và cách sử dụng cách tử. Nếu không có các chi tiết hệ thống khác, chỉ riêng cách tử không thể được gán một quy tắc chẳng hạn như "một góc quay nhất định tương ứng với một khoảng cách bước sóng nhất định". Khả năng phân giải của cách tử cũng có thể được chỉ định và nó liên quan đến độ phân giải quang phổ của hệ thống. Tuy nhiên, độ phân giải này phụ thuộc vào cả khe cách tử và khe vào và ra của hệ thống. Khả năng phân giải của cách tửRphụ thuộc vào thứ tự quang phổmvà số lượng rãnh dưới ánh sángN:

Thông thường, nhiều rãnh được chiếu sáng đến mức các khe vào và ra-không phải cách tử-giới hạn độ phân giải của hệ thống. Đường cong hiệu suất cũng có thể được sử dụng để xác minh mức nhiễu xạ trên tất cả các bước sóng được sử dụng trong ứng dụng.

Cách tử ít nhất phải lớn bằng hình nón hoặc chùm tia sáng tới; nếu không ánh sáng từ các cạnh sẽ bị mất. Do đó, cách tử phải luôn được lấp đầy để ngăn ánh sáng đi lạc phản xạ xung quanh hệ thống và tạo ra tín hiệu sai.

Các loại lưới

Cách tử phản xạ và cách tử truyền

Hai loại rộng nhất là cách tử phản xạ và cách tử truyền. Hình 1 và 2 cho thấy các cách tử phản xạ: về cơ bản là các gương có các rãnh cực nhỏ. Tất cả các bậc nhiễu xạ đều phản xạ từ cách tử ở các góc khác nhau. Cách tử truyền giống như một thấu kính có các rãnh cực nhỏ: tất cả các bậc nhiễu xạ đều đi qua cách tử, nhưng được bù bằng các góc cho trong phương trình (1).

Lưới có quy tắc so với Lưới ba chiều

Cả cách tử phản xạ và cách tử truyền đều có thể được chia thành cách tử định hướng và cách tử hình ba chiều, chúng khác nhau về cách tạo ra các biên dạng rãnh. Trong các cách tử có thước, các rãnh được khắc hoặc cắt cơ học vào bộ phận. Trong cách tử ảnh ba chiều, các rãnh được đưa vào về mặt quang học: một vật liệu cảm quang gọi là chất quang dẫn được lắng đọng trên một chất nền và tiếp xúc với mẫu giao thoa quang học. Chất quang dẫn còn lại sau đó được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, để lại dạng cách tử. Cách tử thước thường có rãnh hình tam giác (Hình 3), trong khi cách tử hình ba chiều thường có rãnh hình sin (Hình 3 và 4).

Hình 3. Các cách tử nhiễu xạ có quy luật thường có các rãnh hình tam giác. Mũi tên trên lưới: hướng của ngọn lửa.

Hình 4. Các cách tử nhiễu xạ ba chiều thường có các rãnh hình sin.

Lưới Echelle

Cách tử echelle có đặc điểm là khoảng cách giữa các rãnh lớn hơn hoặc mật độ rãnh thấp hơn so với cách tử thông thường-thường khoảng 10× và đôi khi lên tới 100×. Chiếu sáng cách tử echelle ở góc tới cao ( ) tạo ra hiệu suất phụ thuộc vào độ phân tán cao, độ phân giải cao và độ phân cực thấp-. Các cách tử này rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ phân giải cao, chẳng hạn như các hệ thống và thiết bị thiên văn nhạy cảm theo đuổi độ phân giải ở cấp độ nguyên tử.

Cách tử phẳng so với cách tử lõm

Tất cả các loại cách tử trên có thể được chia thành cách tử phẳng và cách tử lõm, mô tả hình dạng tổng thể của chúng. Lưới phẳng phẳng và phổ biến hơn. Nếu các rãnh thẳng và cách đều nhau, cách tử phẳng và ánh sáng tới được chuẩn trực thì tất cả ánh sáng nhiễu xạ vẫn chuẩn trực. Điều này có lợi trong nhiều ứng dụng vì đặc tính lấy nét của hệ thống trở nên độc lập với bước sóng. So với cách tử lõm, cách tử phẳng cũng thường làm giảm độ phức tạp của hệ thống. Cách tử lõm bị cong nên chúng có thể hội tụ hoặc phân kỳ ánh sáng. Điều này rất hữu ích để giảm tổng số thành phần quang học trong một hệ thống, nhưng khi đó đặc tính hội tụ lại phụ thuộc vào bước sóng.

Ứng dụng lưới

Máy đơn sắc

Bộ đơn sắc sử dụng cách tử lõm hoặc phẳng cùng với gương để chọn dải hẹp từ ánh sáng tới. Nếu một nguồn sáng trắng-đi vào một thiết bị như vậy, nó sẽ lọc ra tất cả các bước sóng ngoại trừ dải đầu ra hẹp như dự kiến. Hình 5 cho thấy cách một bộ đơn sắc quay cách tử sao cho các bước sóng khác nhau đi qua khe thoát trong khi tất cả các bước sóng khác bị chặn lại.

Hình 5. Bộ đơn sắc cách tử phẳng-(trên) và bộ đơn sắc cách tử lõm-(phía dưới) đều xoay cách tử để quét thứ tự nhiễu xạ qua khe thoát và xác định chính xác bước sóng nào có thể rời khỏi thiết bị.

Máy quang phổ

Giống như máy đơn sắc, máy quang phổ tách các bước sóng của nguồn băng thông rộng, nhưng chúng không có bộ phận chuyển động. Thay vào đó, tất cả các bước sóng riêng biệt được ghi ảnh đồng thời trên một mảng máy dò (Hình 6). Mỗi bước sóng được chụp ảnh trên một tập hợp pixel khác nhau, cho phép thiết bị xác định số lượng từng bước sóng tồn tại trong nguồn băng thông rộng. Máy quang phổ thường được sử dụng khi cần phân tích quang phổ nhanh vì không cần quét các bước sóng qua máy dò, tiết kiệm thời gian.

Hình 6. Máy quang phổ cách tử-mặt phẳng (trên cùng) và máy quang phổ cách tử lõm-(phía dưới) đều sử dụng cách tử cố định để phân tách các bước sóng tới trên các pixel khác nhau của mảng máy dò.

Điều chỉnh laze

Có một số cách sử dụng cách tử nhiễu xạ để điều chỉnh đầu ra quang phổ của tia laser hoặc thu hẹp dải đầu ra của nó. Cách tử có thể được xoay để chỉ một thứ tự nhiễu xạ cụ thể rời khỏi tia laser; cách tử có thể đứng yên trong khi gương quay để lọc dải đầu ra; hoặc cách tử có thể thay thế một tấm gương bên trong tia laser để thu hẹp dải đầu ra (Hình 7).

Hình 7. Ba cách thiết lập này cho thấy những cách khác nhau mà cách tử được sử dụng để điều chỉnh bước sóng đầu ra laser hoặc thu hẹp phạm vi bước sóng đầu ra.

Kéo dài, nén và khuếch đại xung laser

Các xung laser ngắn, chẳng hạn như xung cực nhanh, thường có công suất cực đại cao có thể làm hỏng các thành phần và lớp phủ quang học nhạy cảm. Để tránh điều này, một cặp cách tử nhiễu xạ đôi khi được sử dụng để kéo căng xung, tăng thời lượng và giảm công suất cực đại của nó. Xung kéo dài sau đó có thể đi qua bộ khuếch đại quang và đạt được công suất mà không làm hỏng bất kỳ thành phần quang học nào. Một cặp cách tử khác trong cấu hình ngược có thể nén thời lượng xung sau khi khuếch đại, tạo ra xung công suất cao-ngắn tại mục tiêu (Hình 8).

Hình 8. Cách tử có thể được sử dụng trong các hệ thống laser xung để vừa tăng thời lượng xung-ngăn chặn-thiệt hại do tia laser gây ra- vừa để giảm thời lượng xung, tạo ra các xung công suất-cao tại mục tiêu.