Дифракция света, виды дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля.

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики.

Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Различают два вида дифракции света:

Принцип Гюйгенса-Френеля – основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн становится фронтом волны в следующий момент времени. Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не может объяснить явлений дифракции.

Оптическая длина пути. Оптическая разность хода. Условия минимума и максимума.

Оптическая длина пути – произведение расстояния, которое проходит свет и показателя преломления среды, в которой этот свет идет L=n·l. Смысл этого понятия состоит в том, что, проходя через среду с показ. преломл. большим единицы (n>1), свет запаздывает (т. е. как будто бы проходит больший путь) по отнош. к свету, который шел бы то же расстояние в среде с n =1.

При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматр. точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.

Оптическая разность хода – величина, равная разности оптических длин проходимых волнами путей.

, где

n – показатель преломления;

s – путь.

При наложении когер. волн возможны два предельных случая:

• Условие максимума:

Разность хода волн равна целому числу длин волн (иначе четному числу длин полуволн).

, где (k = 0, ±1, ±2, ±3…)

В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки max и равна удвоенной амплитуде.

• Условие минимума:

Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн.

, где (k = 0, ±1, ±2, ±3…) Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга. Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.

Максимум минимум

Интерференция света при отражении от тонких пленок.

Полосы равной толщины и равного наклона. Кольца ньютона.

При освещении тонкой плёнки можно наблюдать интерференцию световых волн, отражённых от верхней и нижней поверхности плёнок. Для белого света, представляющего собой смешение электромагнитных волн из всего оптического спектра интерференционные полосы приобретают окраску. Это явление получило название цветов тонких плёнок. Цвета тонких плёнок наблюдаются на стенках мыльных пузырьков, на плёнках масла, нефти, на поверхности металлов при их закалке (цвета побежалости).

Интерференционная картина, образованная отражёнными под разными углами плоскими волнами от поверхностей плоскопараллельной пластинки/плёнки, получила название интерференционных полос равного наклона.

Другой вид интерференции света в тонких плёнках, толщина которых меняется её по поперечному сечению, получил название интерференционных полос равной толщины.

Ко́льца Нью́тона — кольцеобразные интерференционные максимумы и минимумы, появляющиеся вокруг точки касания слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины при прохождении света сквозь линзу и пластину.

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона. Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет — это волны.

Дифракционная решетка, виды, свойства и формулы

 

Что такое дифракционная решетка?

   Дифракционная решетка — это оптический прибор, который используется для изучения свойств света и создания спектров. Она состоит из множества параллельных узких щелей, которые расположены на определенном расстоянии друг от друга.

Когда свет проходит через решетку, он разделяется на несколько лучей, каждый из которых имеет свой угол дифракции. Это происходит из-за интерференции световых волн, проходящих через щели.

---

Полезные статьи:

Что такое спетрометр? Принцип работы

Интерферометры, виды, принцип работы

Все статьи

 

Дифракционная решетка это оптическая система, состоящая из множества параллельных щелей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Она используется для разделения света на отдельные цвета и используется в оптических приборах, таких как спектроскопы и спектрофотометры.

Может использоваться для измерения длины волны света, определения дисперсии материала и исследования характеристик лазерного излучения. Она также может быть использована для создания цветных изображений и создания цветных фильтров.

Виды дифракционных решеток

Дифракционные решетки могут быть классифицированы по нескольким признакам, включая материал, форму, число щелей и ориентацию. Некоторые из наиболее распространенных видов дифракционных решеток включают:

• Кристаллические: используются кристаллы, такие как кварц или кристалл алмаза, которые имеют очень регулярную структуру.
• Стеклянные: изготавливаются из стекла, которое может быть отполировано до высокой степени гладкости.
• Металлические: решетки изготавливаются из металлов, таких как золото, серебро или медь.
• Пластиковые: решетки могут быть изготовлены из пластика, который имеет регулярную структуру, например, из поликарбоната или акрила.
• Полимерные: решетки изготавливаются из полимерных материалов, таких как поликарбонат или полистирол.
• Многощелевые: решетки имеют несколько щелей, которые могут быть расположены на разных расстояниях друг от друга.
• Однощелевые: имеют только одну щель.
• Круговые: имеют форму круга и используются для исследования поляризации света.
• Линейные: имеют форму линии и используются для изучения дифракции Френеля.

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые зависят от конкретной области применения.

 

 

Характеристики и свойства дифракционной решетки

Длина дифракционной решетки

Длина дифракционной решетки — это расстояние между двумя соседними щелями в решетке. Она может быть разной в зависимости от типа решетки и ее назначения. Например, для обычных дифракционных решеток длина щелей обычно составляет от 100 до 200 микрометров.

Она может варьироваться в зависимости от ее конструкции и назначения. Некоторые из них могут иметь длину до нескольких метров, а другие — всего несколько сантиметров. В целом, длина является важным параметром, который влияет на точность и качество измерения света.

Длина волны дифракционной решётки определяется формулой Брэгга:

λ = d * sin(θ) / m,

• где λ — длина волны света,
• d — период дифракционной решётки,
• θ — угол дифракции,
• m — порядок дифракционного порядка.

Если мы знаем период дифракционной решётки, угол дифракции и порядок дифракционного максимума, то мы можем рассчитать длину волны света, которая будет соответствовать этому максимуму.

Период дифракционной решетки

Период дифракционной решетки — это расстояние между двумя соседними линиями решетки. Он определяет ширину спектра. Чем меньше период решетки, тем больше линий в спектре и тем шире спектр можно получить.

Однако, слишком маленький период может привести к тому, что линии будут слишком близко друг к другу, и их будет трудно различить. Поэтому, оптимальный период зависит от конкретной задачи и требований к спектру.

Максимум дифракционной решетки

Максимум дифракционной решетки — это угол, под которым свет максимально рассеивается при прохождении через решетку. Этот угол зависит от длины волны света и от расстояния между щелями. Чем больше расстояние между щелями, тем больше угол рассеяния.

Решетка может использоваться в различных областях, например, в оптике для создания лазерных лучей или в спектроскопии для анализа состава вещества.

Штрихи дифракционной решетки

Дифракционная решетка — это устройство, которое используется для получения дифракционных картин, которые являются результатом дифракции света на периодической структуре. Она состоит из множества параллельных линий, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Штрихи дифракционной решетки представляют собой узкие линии, которые расположены на решетке. Они могут быть вертикальными, горизонтальными или наклонными. Они могут быть выполнены как на поверхности самой решетки, так и на ее обратной стороне.

Цель штрихов заключается в том, чтобы создать интерференционную картину, которая позволяет определить длину волны света. Чем более узкие штрихи используются, тем более точный результат можно получить.

Кроме того, штрихи дифракционной решетки могут быть использованы для измерения угла падения света на решетку. Это делается путем измерения расстояния между двумя соседними максимумами или минимумами.

Таким образом, штрихи играют важную роль в оптике и используются в различных научных и технических приложениях, таких как спектроскопия, лазерная техника и другие.

 

 

Порядок дифракционной решетки

Дифракционная решетка — это оптический элемент, который используется для дисперсии света и создания цветных изображений. Она состоит из множества параллельных и близко расположенных друг к другу штрихов или щелей. Порядок дифракционной решетки — это количество штрихов на единицу длины решетки.

Порядок дифракции — это порядок дифракционного максимума, который определяется расстоянием между соседними максимумами. Порядок дифракции обозначается буквой m и равен отношению расстояния между двумя максимумами к расстоянию между первым дифракционным максимумом и центральной линией.

Для расчета порядка необходимо знать длину волны света, угол падения света на решетку и угол дифракции. Формула для расчета порядка дифракции выглядит следующим образом:

m = sin(θ)/sin(θd),

• где θ — угол дифракции,
• θd — угол падения света,
• sin(θ) — синус угла дифракции,
• sin(θd) — синус угла падения света.

Порядок может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, в какую сторону отклоняется свет при дифракции на решетке. Положительный порядок соответствует отклонению света вправо, а отрицательный — влево.

Спектр дифракционной решетки

Состоит из нескольких основных элементов:

1. Центральная полоса: Это самая яркая часть спектра, которая находится в центре. Она содержит все длины волн света, которые проходят через решетку без изменения своей частоты.

2. Краевые полосы: Они расположены по обе стороны от центральной полосы и содержат длины волн, которые были отклонены. Каждая краевая полоса соответствует определенной длине волны света.

3. Интерференционные полосы: Они появляются в спектре, когда свет проходит через дифракционную решетку несколько раз. Эти полосы имеют разную яркость и ширину в зависимости от угла падения света на решетку.

4. Полосы поглощения: Они возникают, когда свет взаимодействует с молекулами вещества, расположенного за решеткой. Эти полосы могут быть использованы для определения состава вещества.

В целом, спектр дифракционной решетки позволяет изучить свойства света и определить его частоту. Он широко используется в научных исследованиях, медицине, промышленности и других областях.

 

 

Угол дифракционной решетки

Угол дифракции — это угол между направлением распространения света и направлением, в котором свет отклоняется от своего первоначального направления. При прохождении через дифракционную решетку свет испытывает дифракцию на каждой из ее щелей, что приводит к отклонению света под углом, который зависит от длины волны света, ширины щелей и расстояния между ними.

Для расчета угла дифракции можно использовать формулу Брэгга-Френеля:

sin(θ) = λ/d * sin(φ/2),

• где θ — угол дифракции,
• λ — длина волны света,
• d — расстояние между щелями,
• φ — угол между нормалью к решетке и направлением распространения света.

Эта формула показывает, что угол дифракции зависит от длины волны, ширины щелей и угла между нормалью и направлением света. Чем больше расстояние между щелями и чем меньше ширина щелей, тем меньше угол дифракции.

Расстояние дифракционной решетки

Дифракционная решетка — это устройство, которое используется для разделения света на отдельные цвета или длины волн. Она состоит из множества параллельных узких линий, разделенных промежутками. Расстояние между линиями определяет частоту, на которую будет разбит свет.

Если расстояние между линиями меньше длины волны света, то свет будет разделен на отдельные цвета, каждый из которых будет иметь свою длину волны. Если же расстояние между линиями больше длины волны, то свет пройдет через решетку без изменения.

Таким образом, расстояние между линиями в дифракционной решетке является важным параметром, который определяет ее способность разделять свет на отдельные цвета.

Постоянная дифракционной решетки

Постоянная дифракционной решетки — это постоянная, которая определяет ее способность рассеивать свет. Формула для постоянной выглядит следующим образом:

d = λ/sin(θ),

• где d — постоянная дифракционной решетки,
• λ — длина волны света,
• θ — угол дифракции.

Плоская дифракционная решетка

Плоская дифракционная решетка представляет собой тонкую пластину, состоящую из множества параллельных линий, нанесенных на ее поверхность. Каждая линия имеет определенную ширину и угол наклона относительно нормали к поверхности решетки.

При прохождения света через плоскую дифракционную решетку, свет разделяется на различные цвета и напрвления. Это зависит от направления в зависимости от длины волнысвета и угла падения на решетку.

Это явление называется дифракцией Френеля и является результатом интеференции волн, которые отразились от каждой линии решетки.

 

 

Применения дифракционных решеток

Дифракционные решетки широко используются в различных областях науки и техники, включая:

• Оптика — используются для измерения длины волны света, определения дисперсии света и исследования других оптических явлений.
• Лазеры — для создания лазера с высокой стабильностью частоты и генерации узкополосного света.
• Астрономия — дифракция света от звездных объектов позволяет астрономам изучать структуру и свойства космических объектов.
• Медицина — анализ биологических образцов может использоваться для определения молекулярной структуры и состава клеток.
• Наука о материалах — дифракционное рассеяние света позволяет изучать структуру материалов и их свойства, такие как оптические и электронные свойства.
• Квантовая оптика — дифракция Френеля используется для генерации и управления фотонами в квантовых системах.
• Оптическая связь — элементы могут использоваться в качестве оптических фильтров и модуляторов для передачи данных в оптических системах связи.
• Оптический контроль — дифракционные методы используются для контроля качества поверхностей, измерения геометрических параметров и анализа других оптических сигналов.
• Оптика для медицины — элементы используются для диагностики и лечения офтальмологических заболеваний, таких как катаракта и глаукома.

Это только некоторые из областей применения. Они широко используются в научных исследованиях и технологиях, а также в повседневной жизни, например, в оптических приборах для просмотра изображений и в лазерных системах.

Производство дифракционных решеток

Дифракционные решетки могут быть изготовлены из различных материалов, включая кристаллы, стекло, металлы и другие материалы. Процесс производства включает в себя следующие этапы:

Подготовка материала 

Для изготовления дифракционной решетки необходимо выбрать подходящий материал, который должен иметь высокую прозрачность и однородность.

Формирование полос

На поверхность материала наносится тонкий слой материала, который будет использоваться для формирования полос. Этот слой может быть нанесен с помощью лазера, плазменного напыления или других методов.

Очистка поверхности

После нанесения слоя материала необходимо очистить поверхность от загрязнений и неровностей. Это можно сделать с помощью механической обработки или химических методов.

Обработка поверхности

На этом этапе происходит формирование полос с помощью лазерной обработки или плазменного напыления. В результате получаются узкие и параллельные полосы на поверхности материала.

Проверка качества

После формирования полос необходимо проверить качество. Это может быть сделано с помощью оптических методов, таких как измерение спектра или интерференционных картин.

В результате производства дифракционной решетки получается оптический элемент с высокой точностью и качеством, который может использоваться в различных оптических системах и устройствах.

Типы дифракционных решеток — Spectrum Scientific, Inc.

Дифракционные решетки

Дифракционная решетка — это оптический элемент, который преломляет энергию в составляющие ее длины волн.

Плотность штрихов, глубина и профиль дифракционной решетки определяют спектральный диапазон, эффективность, разрешение и характеристики дифракционной решетки.

Обычно существует два различных типа дифракционных решеток – линейчатая решетка и голографическая решетка.

Линейчатая дифракционная решетка создается с помощью механизма линейки, который прорезает канавки в покрытии на подложке решетки (обычно это стекло, покрытое тонким отражающим слоем) с помощью инструмента с алмазным наконечником.

Голографическая дифракционная решетка изготавливается с использованием интерференционной литографии, которая обеспечивает гладкую поверхность канавок и устраняет периодические ошибки, характерные для линейчатых решеток.

Дифракционная решетка может быть отражающей или пропускающей решеткой. Наиболее распространенным типом дифракционных решеток являются плоские решетки и вогнутые решетки, хотя они также могут иметь другие профили, такие как выпуклые или тороидальные, в зависимости от применения.

Отражающие решетки обычно покрыты отражающим покрытием, обычно алюминием с защитным покрытием для использования в УФ-видимом-ближнем ИК-диапазоне или золотом для использования в ИК-диапазоне. Передающие решетки обычно снабжаются просветляющим покрытием.

Дифракционная решетка может иметь синусоидальный или выпуклый профиль. Синусоидальная решетка обычно имеет меньшую эффективность, чем решетка с полыханием, но часто дает более широкий спектральный охват. Полая решетка имеет профиль «пила» и обычно обеспечивает более высокую эффективность.

Коммерческая дифракционная решетка, как правило, представляет собой реплику решетки, изготовленную из вспомогательного эталона, который может быть на несколько поколений старше эталонной дифракционной решетки.

Как правило, стоимость изготовления эталона дифракционной решетки высока, и, поставляя реплики решеток (с почти неотличимыми характеристиками), один мастер может производить тысячи копий, снижая удельную стоимость дифракционной решетки.

Страна * Выберите страну…Аландские островаАфганистанАлбанияАлжирАмериканское СамоаАндорраАнголаАнгильяАнтарктидаАнтигуа и БарбудаАргентинаАрменияАрубаАвстралияАвстрияАзербайджанБагамыБахрейнБангладешБарбадосБеларусьБелауБельгияБелизБенинБермудыБутанБоливияБонер, Сент-Эстатиус и СабаБосния и ГерцеговинаБотсванаB остров увеБразилияБританская территория в Индийском океанеБританские Виргинские островаБрунейБолгарияБуркина-ФасоБурундиКамерунКанадаКанадаКабо-ВердеКаймановы островаЦентральноафриканская РеспубликаЧадЧилиКитайОстров РождестваКокосовые острова (Килинг)КолумбияКоморские островаКонго (Браззавиль)Конго (Киншаса)Острова КукаКоста-РикаХорватияКубаКюрасаоКипрЧехия ДанияДжибутиДоминикаДоминиканская РеспубликаЭквадорЕгипетСальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские островаФарерские островаФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузский Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГернсиГвинеяГвинея-БисауГайанаГаитиОстров Херд и острова МакдональдГондурасГонконгВенгрияИсландияИндияИндонезияИранИракИрландияОстров МэнИзраильИталияКот-д’ИвуарЯмайкаЯпонияДжерсиJ ОрданКазахстанКенияКирибатиКувейтКыргызстанЛаосЛатвияЛиванЛесотоЛиберияЛивияЛихтенштейнЛитваЛюксембургМакао С. А.Р., КитайМакедонияМадагаскарМалавиМалайзияМальдивыМалиМальтаМаршалловы ОстроваМартиникаМавританияМаврикийМайоттаМексикаМикронезияМолдоваМонакоМонголияMont enegroMontserratМароккоМозамбикМьянмаНамибияНауруНепалНидерландыНовая КаледонияНовая ЗеландияНикарагуаНигерНигерияНиуэОстров НорфолкСеверная КореяСеверные Марианские островаНорвегияОманПакистанПалестинская территорияПанамаПапуа-Новая ГвинеяПарагвайПеруФилиппиныПиткэрнПольшаПортугалияПуэрто-РикоКатарРеюньон РумынияРоссияРуандаСан-Томе и ПринсипиСен-БартелемиСент-ХеленаСент-Китс и НевисСент-ЛюсияСен-Мартен (голландская часть)Сен-Мартен (французская часть)Сен-Пьер и МикелонСен-Пьер Винсент и ГренадиныСамоаСан-МариноСаудовская АравияСенегалСербияСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСловакияСловенияСоломоновы островаСомалиЮжная АфрикаЮжная Джорджия/Сандвичевы островаЮжная КореяЮжный СуданИспанияШри-ЛанкаСуданСуринамШпицберген и Ян-МайенСвазилендШвецияШвейцарияСирияТайваньТаджикистанТанзанияТаиландТимор-Лешти ТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурцияТуркменистанОстрова Теркс и КайкосТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобритания (Великобритания)Соединенные Штаты (США)Соединенные Штаты (США) Малые отдаленные островаСоединенные Штаты (США) Девственница ОстроваУругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамУоллис и ФутунаЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабве

Регион/штат

Почтовый индекс *

Номер заказа на покупку *

Номер счета перевозчика *

Способ доставки *

Информация о доставке

В корзине нет товаров.

Типы дифракционных решеток и для чего они используются

Изображение предоставлено: https://www.opcolab.com/

Дифракционные решетки — это оптические устройства, которые используются в таких приборах, как спектрометры, для разделения полихроматического света на основные составляющие длины волн, из которых он состоит. Этот процесс рассеивает свет таким образом, что каждая длина волны направлена ​​под другим углом в результате интерференционной картины, возникающей в результате отражения падающего света или прохождения через решетчатую структуру.

В этой статье мы рассмотрим различные типы существующих дифракционных решеток и обсудим их применение. Чтобы понять дифракционные решетки как продукт, будет полезно сначала рассмотреть, что такое дифракция и как дифракционная решетка функционирует для разделения различных длин волн света на пространственно отдельные компоненты, которые затем можно исследовать и анализировать.

Понимание дифракции и уравнения решетки

Мы знаем, что обычный белый свет полихроматичен, а это означает, что он состоит из световой энергии с разными длинами волн, которые наши глаза воспринимают как цвета. Призма — это оптический прибор, с помощью которого можно разделить белый свет на разные цвета. Процесс, посредством которого это происходит, известен как преломление.

Полихроматический свет также можно разделить на составляющие его цвета с помощью дифракции. Дифракция относится к тому факту, что когда свет от источника сталкивается с препятствием, прозрачным или непрозрачным, область волнового фронта света изменяется по амплитуде или фазе. Сегменты волнового фронта, проходящие мимо препятствия, будут затем интерферировать друг с другом и создавать распределение плотности энергии в точке за препятствием, известное как дифракционная картина. Если непрозрачный экран оснащен регулярным рядом продолговатых отверстий или щелей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, то свет, падающий на этот экран, будет изменен, и отдельные волновые фронты, выходящие через каждую из щелей, будут конструктивно интерферировать и генерировать дифракционную картину. с пиками интенсивности, возникающими под определенными углами относительно плоскости экрана и угла падающей световой волны. Таким образом, дифракционная решетка — это просто поверхность, на которой имеется ряд щелей или линий, расположенных геометрически на одинаковом одинаковом расстоянии между каждой последующей щелью или канавкой.

Выяснилось, что дифракция может происходить как при пропускающем, так и при отражающем подходе — это означает, что не имеет значения, отражается ли падающий свет от решетки или проходит через решетку. Когда решетка полностью прозрачна, амплитудная модуляция незначительна, а вместо нее возникает фазовая модуляция, в результате чего возникает так называемая фазовая решетка пропускания. Если конструкция решетки вместо этого напоминает ряд непрозрачных и прозрачных областей или щелей, то говорят, что решетка представляет собой решетку амплитуды пропускания. Если на дифракционной решетке используется отражающая поверхность, то такая решетка называется фазовой решеткой отражения.

Таким образом, дифракционная решетка служит устройством угловой дисперсии, а это означает, что она предназначена для разделения длин волн света в зависимости от угла, под которым они выходят из решетки. Дисперсия, возникающая в результате дифракционной решетки, выражается с помощью приведенного ниже уравнения решетки, которое связывает длину волны дифрагированного света с углами дифракции и падения света, направленного от решетки и к ней, а также с расстоянием между канавками:

В приведенном выше выражении:

• λ представляет собой длину волны дифрагированного света
• d представляет собой расстояние между канавками линий или канавок на дифракционной решетке
• θ _i угол падения волны, направленной на дифракционную решетку
• θ _d угол дифракции света с длиной волны λ, который отражается или проходит через решетку
• n — целое число, обозначающее порядок дифракции

На рисунке 1 ниже показаны углы световых волн и опорная линия их измерения, которая, как видно из рисунка ниже, является нормалью, проведенной относительно плоскости, представляющей поверхность дифракционной решетки. Случай, показанный ниже, относится к отражательному стилю дифракционной решетки.

Рис. 1. Иллюстрация дифракционной решетки отражательного типа 

Изображение предоставлено: https://andor.oxinst.com/

В приведенном выше уравнении решетки член n заслуживает дальнейшего пояснения. Термин n представляет целочисленное значение, которое означает, что угол дифракции θ _d связан с целым кратным длины волны энергии дифрагированного света. Эти углы дифракции соответствуют так называемому порядку дифракции, и, поскольку n может быть положительным или отрицательным значением, порядок дифракции может иметь положительное или отрицательное значение. Ситуация, когда n = 0 (нулевой порядок), — это случай, когда дифракции не происходит, вместо этого падающий луч отражается от дифракционной решетки, поэтому угол падения θ _i равно углу отражения θ _d . По соглашению знак порядка дифракции положительный, когда дифрагированный луч находится слева (или против часовой стрелки) от положения нулевого порядка, и отрицательный, когда он падает вправо (по часовой стрелке) от нулевого порядка. заказ. Если падающий пучок света, падающий на дифракционную решетку, является монохроматическим, то дифракционная картина будет давать распределение плотности энергии, происходящее под углами, соответствующими целочисленным значениям, таким как …-3, -2, -1, 0, 1 , 2, 3 и т. д. Для полихроматического света каждая отдельная длина волны будет генерировать дифракционную картину, удовлетворяя уравнению решетки, показанному выше, для определенного значения длины волны λ. На рисунке 2 ниже показан порядок дифракции для отражающей дифракционной решетки и полихроматического света, падающего на решетку. Обратите внимание, что на этой иллюстрации есть несколько различий в номенклатуре по сравнению с представлением, найденным в этой статье — то, что мы назвали n, обозначено m на рисунке 2; наш θ _i помечен как α, а наш θ _d помечен как β. Однако смысл этих значений в терминах уравнения решетки одинаков.

Рисунок 2. Диаграмма, показывающая порядки дифрагированного света от решетки типа отражения 

Изображение предоставлено: https://www. newport.com/

Типы дифракционных решеток

Дифракционные решетки

доступны в нескольких различных типах, которые кратко описаны ниже. Производители и поставщики предлагают множество стандартных решеток и решеток на заказ, воспроизведенных мастерами. С точки зрения конструкции наиболее распространенными типами дифракционных решеток являются линейчатые решетки и голографические решетки.

Линейчатые дифракционные решетки

Линейчатые решетки, также называемые полированными решетками, создаются с помощью линейного механизма, который представляет собой прецизионный станок, использующий инструмент с алмазным наконечником для печати или вырезания тонких параллельных линий на полированной поверхности. Так называемая эталонная решетка обычно создается путем нанесения покрытия из золота или алюминия с использованием процесса испарения на тщательно отполированную поверхность или подложку. Затем алмазный инструмент вытачивает канавки на поверхности с высокой точностью, чтобы поддерживать абсолютную параллельность между последующими канавками, используя гетеродинную лазерную систему управления. Кроме параллелизма, профиль штриха должен сохраняться по всей поверхности дифракционной решетки. Такой инструмент, как атомно-силовой микроскоп или АСМ, используется для компенсации любого износа инструмента, который может возникнуть при прорезании рисунка канавки на поверхности подложки. Форма профиля, также называемая углом блеска, связана с диапазоном длин волн, для которого оптимизирована решетка.

Важное значение в конструкции дифракционной решетки имеет плотность штрихов (также называемая частотой штрихов), которая является обратной величиной расстояния между штрихами (параметр d в приведенном выше уравнении решетки). Это мера количества канавок, содержащихся в решетке на единицу длины. В дополнение к углу блеска плотность канавок эффективно определяет углы, при которых одна длина волны света будет конструктивно интерферировать, создавая распределение интенсивности света по порядкам дифракции. Для повышения эффективности желательно иметь концентрат света в одном порядке, таком как дифракция первого порядка, в отличие от распределения по дифракциям более высокого порядка или концентрации в нулевом порядке. Регулировка угла свечения и плотности канавок может привести к более эффективной дифракционной картине для приложений. Это может включать регулировку профиля канавки, ее глубины и углов фасок. Длина волны, для которой была оптимизирована решетка, называется длиной волны блейза.

Тип линейчатой ​​решетки, называемый решеткой Эшелле, представляет собой относительно ровную решетку, что означает низкую плотность штрихов. Эти типы решеток имеют большие углы свечения и используют более высокие порядки дифракции, преимуществом является высокая дисперсия и разрешение при компактной конструкции,

Голографические дифракционные решетки

Из-за характера производственного процесса линейчатые решетки могут страдать от периодических ошибок, ошибок зазоров и других нарушений, наличие которых может привести к рассеянному свету и ореолу. Голографические решетки предназначены для решения некоторых из этих проблем за счет использования другого метода производства. Голографическая дифракционная решетка создается с использованием процесса интерференционной литографии. Эталонная решетка создается путем воздействия на светочувствительный материал двух интерферирующих лазерных лучей. Лучи создают интерференционную картину на подложке, которую затем можно обработать, чтобы получить синусоидальный рисунок канавок на поверхности. Слой фоторезиста покрывается металлическим слоем, который наносится методом вакуумного напыления. Из этого мастера можно создавать формы для создания копий решеток. Помимо традиционного синусоидального рисунка канавок, голографические полые решетки можно изготовить, взяв готовую голографическую решетку и бомбардировав ее наклонным пучком ионов, чтобы создать симметричную треугольную канавку или пилообразный профиль.

Голографические решетки используют оптическую технику для создания рисунка решетки и, таким образом, устраняют некоторые проблемы, которые могут возникнуть с линейчатыми решетками, такие как ореолы и большое количество рассеянного света. В свое время они достигли этих целей, хотя в некоторых случаях и с меньшей эффективностью. Но введение сверкающих голографических дифракционных решеток означает, что высокая эффективность, обычно связанная с линейчатыми решетками, может быть достигнута и голографически.

Передающие и отражающие решетки

Как упоминалось ранее, дифракционные решетки можно охарактеризовать как решетки пропускания или отражения. Решетки пропускания создают картину дифракции после прохождения падающего света через решетку, где решетки отражения имеют картину дифракции света на той же стороне, что и падающий луч. Решетки отражения обычно имеют отражающее покрытие из алюминия или золота, в то время как решетки пропускания снабжены антиотражающим покрытием. Решетки пропускания, как правило, обеспечивают высокую эффективность и обеспечивают большую простоту юстировки в оптических системах по сравнению с решетками отражения.

Решетчатые профили обычно бывают плоскими или вогнутыми, однако возможны и другие возможные формы профилей, такие как выпуклые и тороидальные, выбор которых определяется конкретными условиями применения.

Приложения для дифракционных решеток

Дифракционные решетки имеют ряд применений, наиболее распространенными из которых являются монохроматоры и спектрометры. Монохроматоры используются для выбора узкой полосы света из гораздо более широкого диапазона доступных длин волн в источнике. Обычная разновидность этих устройств, известная как монохроматор Черни-Тернера, использует дифракционную решетку в сочетании с набором плоских и вогнутых зеркал для выбора длины волны. На рисунке 3 ниже показана основная концепция монохроматора.

Рисунок 3. Базовая структура монохроматора Черни-Тернера (обратите внимание на дифракционную решетку D)

Изображение предоставлено: https://link.springer.com/

Спектрометр, в частности оптический спектрометр, позволяет ученым и исследователям анализировать свет, излучаемый атомами образца материала, и, таким образом, получать знания о составляющих элементах, присутствующих в этом образце. Спектрометры используются в самых разных областях: от измерения содержания растворенного кислорода в морских экосистемах до изучения света, излучаемого далекими галактиками.

Помимо монохроматоров и спектрометров, дифракционные решетки могут использоваться в системах связи на оптической основе для разделения или объединения оптических сигналов или для сжатия или растяжения импульсов. Они также используются в лазерах для настройки длины волны, что означает создание выходного лазерного излучения, излучающего электромагнитную энергию желаемой частоты.

Дифракционные решетки также характеризуются определенной частотой или длиной волны света, для которых они предназначены. Сюда входят приложения для ближнего инфракрасного (NIR), среднего инфракрасного, видимого или ультрафиолетового (УФ) света.

Резюме

В этой статье представлен обзор типов дифракционных решеток, их применения и объяснение основного принципа дифракции в оптике. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг, включая поставщиков оптических дифракционных решеток.