Kırınım Izgaraları

Optik dağıtıcı elemanlar · Spektroskopi · Lazerler · Telekom · Kaynak: PhotonLab

Kırınım ızgaraları, spektrometreler, diğer analitik cihazlar, telekomünikasyon ve lazer sistemleri dahil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesindeki temel optik bileşenlerdir. Bir ızgara, gelen ışığı kırınım yoluyla birden fazla ışın yoluna bölen ve farklı dalga boylarındaki ışığın farklı yönlerde yayılmasına neden olan mikroskobik periyodik bir oluk yapısı içerir. Bu, bir kırınım ızgarasını işlevsel olarak dağıtıcı bir prizmaya benzer hale getirir; ancak bir prizma, dalga boylarını kırınım yerine dalga boyuna-bağlı kırılmayla ayırır (Şekil 1).

Şekil 1. Dağıtıcı bir prizma, dalga boylarını kırılma yoluyla ayırır (üstte), kırınım ızgarası ise yüzey yapısından dolayı dalga boylarını kırınım yoluyla ayırır (altta).

Bir ızgaraya gelen ışık, ızgara denklemine göre kırılır:

Burada,mkırınım (veya spektral) sırasını tanımlayan bir tamsayıdır,λışığın dalga boyudur,dızgaradaki oluklar arasındaki boşluktur, geliş açısıdır ve ızgarayı terk eden ışığın kırılan açısıdır. Farklı kırınıma uğramış dalga cephelerinin yapıcı girişimi, dalga boyunun tamsayı katlarında meydana gelir, bu nedenle Denklem (1)'de "m" görünür.mkırınım sırasını tanımlar:m= 1 birinci-dereceden kırınım olarak adlandırılır,m= 2, ikinci-dereceden kırınımdır ve bu böyle devam eder (Şekil 2). Eğerm= 0, yansıma veya iletim ızgarası olmasına bağlı olarak ışık ya doğrudan ızgaradan yansıtılır ya da onun içinden iletilir; buna sıfır-derece kırınım denir. Dağıtıcı bir prizmadan farklı olarak, daha kısa dalga boyları her zaman doğrudan yansıtılan veya iletilen ışığa-bu durumda 0'ıncı dereceden daha yakındır. Farklı siparişler arasında bazı örtüşmeler mevcuttur. Tüm açılar ızgara normalinden (ızgaraya dik) ölçülür.

Şekil 2. Gelen ışığın bir kısmı doğrudan 0'ıncı-düzey kırınım olarak yansıtılırken, gelen ışığın diğer kısımları dalga boyuna bağlı olarak birinci-dereceden açılarla kırınıma uğrar. Daha küçük miktarlar, daha yüksek-açılı 2.- ve 3.-dereceden kırınıma ayrılır.

Izgara Seçerken Dikkat Edilmesi Gerekenler

Bir ızgarayı seçerken dalga boyu aralığını, parlama dalga boyunu (kırınılan spektrumda en yüksek verimliliğe sahip dalga boyu) ve alev açısını belirtmek önemlidir. Parlama açısı, alev dalga boyunun birinci-derece kırınım açısını tanımlar. Bu açıda Denklem (1) eşittir ve gelen ışık geldiği yöne doğru kırılır. Bu duruma Littrow konfigürasyonu da denir. Bu açıya yakın çalışmak en yüksek verimliliği sağlar.

Oluk yoğunluğu veya oluk frekansı genellikle belirtilir. Oluk aralığının tersidird. Optik sistemin önemli bir özelliği dağılımıdır, ancak bu hem ızgaranın özelliklerine hem de ızgaranın nasıl kullanıldığına bağlıdır. Diğer sistem detayları olmadan, bir ızgaraya tek başına "belirli bir dönüş, belirli bir dalga boyu ayrımına karşılık gelir" gibi bir kural atanamaz. Bir ızgaranın çözme gücü de belirtilebilir ve bu, sistemin spektral çözünürlüğüyle ilgilidir. Ancak bu çözünürlük hem ızgaraya hem de sistemin giriş-çıkış yarıklarına bağlıdır. Izgaranın çözme gücüRspektral sıraya bağlıdırmve aydınlatma altındaki olukların sayısıN:

Genellikle o kadar çok oluk aydınlatılır ki, sistem çözünürlüğünü-ızgara değil-giriş ve çıkış yarıkları sınırlar. Verimlilik eğrileri, uygulamada kullanılan tüm dalga boylarındaki kırınım düzeyini doğrulamak için de kullanılabilir.

Izgara en azından gelen ışık konisi veya ışın demeti kadar büyük olmalıdır; aksi takdirde kenarlardan gelen ışık kaybolacaktır. Bu nedenle, başıboş ışığın sistemin etrafından yansıyarak yanlış sinyaller oluşturmasını önlemek için ızgara her zaman eksik doldurulmalıdır.

Izgara Çeşitleri

Yansıma Izgaraları ve İletim Izgaraları

En geniş iki kategori yansıma ızgaraları ve iletim ızgaralarıdır. Şekil 1 ve 2 yansıma ızgaralarını göstermektedir: aslında mikroskobik oyuklara sahip aynalardır. Kırılan tüm düzenler ızgaradan farklı açılardan yansır. Bir iletim ızgarası, mikroskobik oluklara sahip bir merceğe benzer: kırılan tüm sıralar ızgaradan geçer, ancak Denklem (1)'de verilen açılarla dengelenir.

Çizgili Izgaralar ve Holografik Izgaralar

Hem yansıma hem de iletim ızgaraları ayrıca, oluk profillerinin nasıl oluşturulduğuna göre farklılık gösteren çizgili ızgaralar ve holografik ızgaralara bölünebilir. Çizgili ızgaralarda oluklar mekanik olarak oyulur veya bileşene kesilir. Holografik ızgaralarda oluklar optik olarak açılır: fotorezist adı verilen ışığa duyarlı bir malzeme bir alt tabaka üzerinde biriktirilir ve optik bir girişim desenine maruz bırakılır. Geriye kalan fotorezist daha sonra kimyasal olarak uzaklaştırılarak ızgara deseni bırakılır. Çizgili ızgaralar genellikle üçgen oluklara sahiptir (Şekil 3), holografik ızgaralar ise genellikle sinüzoidal oluklara sahiptir (Şekil 3 ve 4).

Şekil 3. Kurallı kırınım ızgaraları tipik olarak üçgen oluklara sahiptir. Izgaradaki ok: yangının yönü.

Şekil 4. Holografik kırınım ızgaraları tipik olarak sinüzoidal oyuklara sahiptir.

Eşel Izgaralar

Bir eşel ızgara, sıradan ızgaralara göre daha büyük bir oluk aralığı veya daha düşük oluk yoğunluğuyla karakterize edilir-tipik olarak yaklaşık 10 kat ve bazen 100 kata kadar. Bir kademe ızgarasının yüksek bir geliş açısıyla ( ) aydınlatılması, yüksek dağılım, yüksek çözünürlük ve düşük polarizasyona-bağımlı verimlilik üretir. Bu ızgaralar, hassas astronomik aletler ve atom- düzeyinde çözünürlük isteyen sistemler gibi yüksek çözünürlük gerektiren uygulamalara çok uygundur.

Düzlem Izgaralar ve İçbükey Izgaralar

Yukarıdaki ızgara türlerinin tümü, genel şekillerini tanımlayacak şekilde düzlem ızgaralara ve içbükey ızgaralara da bölünebilir. Düzlem ızgaralar düz ve daha yaygındır. Oyuklar düz ve eşit aralıklarla yerleştirilmişse, ızgara düzse ve gelen ışık yönlendirilmişse, kırılan ışığın tamamı yönlendirilmiş olarak kalır. Bu birçok uygulamada faydalıdır çünkü sistemin odaklanma özellikleri dalga boyundan bağımsız hale gelir. İçbükey ızgaralarla karşılaştırıldığında düzlem ızgaralar genellikle sistem karmaşıklığını da azaltır. İçbükey ızgaralar kavislidir, bu nedenle ışığı ya birleştirirler ya da uzaklaştırırlar. Bu, bir sistemdeki optik bileşenlerin toplam sayısını azaltmak için kullanışlıdır, ancak odaklanma özellikleri bu durumda dalga boyuna bağlıdır.

Izgara Uygulamaları

Monokromatörler

Bir monokromatör, gelen ışıktan dar bir bant seçmek için aynalarla birlikte içbükey veya düzlemsel bir ızgara kullanır. Böyle bir cihaza beyaz bir-ışık kaynağı girerse, amaçlanan dar çıkış bandı dışındaki tüm dalga boylarını filtreler. Şekil 5, bir monokromatörün ızgarayı nasıl döndürdüğünü, böylece diğer tüm dalga boyları bloke edilirken farklı dalga boylarının çıkış yarığından geçmesini göstermektedir.

Şekil 5. Düzlem-ızgaralı monokromatör (üst) ve içbükey-ızgaralı monokromatörün (altta) her ikisi de, çıkış yarığı boyunca kırınım sıralarını taramak ve hangi dalga boylarının cihazdan çıkabileceğini kesin olarak belirlemek için ızgarayı döndürür.

Spektrometreler

Monokromatörler gibi spektrometreler de geniş bantlı bir kaynağın dalga boylarını ayırır ancak hareketli parçaları yoktur. Bunun yerine, ayrılan tüm dalga boyları aynı anda bir dedektör dizisine görüntülenir (Şekil 6). Her dalga boyu farklı bir piksel kümesinde görüntülenir ve cihazın geniş bant kaynağında her dalga boyunun ne kadarının bulunduğunu belirlemesine olanak tanır. Spektrometreler genellikle hızlı spektral analiz gerektiğinde kullanılır, çünkü bir dedektörde dalga boylarını taramaya gerek yoktur, bu da zamandan tasarruf sağlar.

Şekil 6. Düzlem-ızgaralı spektrometre (üstte) ve içbükey-ızgaralı spektrometrenin (altta) her ikisi de, gelen dalga boylarını bir dedektör dizisinin farklı piksellerine ayırmak için sabit bir ızgara kullanır.

Lazer Ayarlama

Bir lazerin spektral çıkışını ayarlamak veya çıkış bandını daraltmak için kırınım ızgarasını kullanmanın birkaç yolu vardır. Izgara, lazerden yalnızca belirli bir kırınım sırasının ayrılacağı şekilde döndürülebilir; çıkış bandını filtrelemek için bir ayna dönerken ızgara sabit kalabilir; veya ızgara, çıkış bandını daraltmak için lazerin içindeki aynanın yerini alabilir (Şekil 7).

Şekil 7. Bu üç kurulum, lazer çıkış dalga boyunu ayarlamak veya çıkış dalga boyu aralığını daraltmak için bir ızgaranın kullanıldığı farklı yolları gösterir.

Lazer Atım Germe, Sıkıştırma ve Amplifikasyon

Ultra hızlı darbeler gibi kısa lazer darbeleri genellikle hassas optik kaplamalara ve bileşenlere zarar verebilecek yüksek tepe gücüne sahiptir. Bunu önlemek için bazen darbeyi uzatmak, süresini artırmak ve tepe gücünü azaltmak için bir çift kırınım ızgarası kullanılır. Uzatılmış darbe daha sonra bir optik amplifikatörden geçebilir ve herhangi bir optik bileşene zarar vermeden güç kazanabilir. Ters konfigürasyondaki başka bir ızgara çifti, amplifikasyondan sonra darbe süresini sıkıştırarak hedefte kısa, yüksek-güçlü bir darbe üretebilir (Şekil 8).

Şekil 8. Izgaralar, darbeli lazer sistemlerinde hem darbe süresini artırmak-lazerin-kaynakladığı hasarı önlemek-, hem de hedefte yüksek-güçlü darbeler üreterek darbe süresini azaltmak için kullanılabilir.