סורגי עקיפה

אלמנטים מפזרים אופטיים · ספקטרוסקופיה · לייזרים · טלקום · מקור: PhotonLab

רשתות עקיפה הן רכיבים אופטיים מרכזיים במגוון רחב של יישומים, כולל ספקטרומטרים, מכשירים אנליטיים אחרים, טלקומוניקציה ומערכות לייזר. סורג מכיל מבנה חריץ מחזורי מיקרוסקופי שמפצל אור נוקב למסלולי אלומה מרובים באמצעות עקיפה, מה שגורם לאור של אורכי גל שונים להתפשט בכיוונים שונים. זה גורם לרשת עקיפה להיות דומה מבחינה פונקציונלית למנסרה מפזרת, אם כי פריזמה מפרידה אורכי גל לפי שבירה תלויה באורך- ולא לפי עקיפה (איור 1).

איור 1. פריזמה מפזרת מפרידה אורכי גל על ​​ידי שבירה (למעלה), בעוד שרשת עקיפה מפרידה אורכי גל על ​​ידי עקיפה בשל מבנה פני השטח שלה (תחתון).

תקרית האור על סורג מבוטלת לפי משוואת הסורג:

כָּאן,mהוא מספר שלם המתאר את סדר הדיפרקציה (או הספקטרלי),λהוא אורך הגל של האור,dהוא המרווח בין החריצים על הסורג, היא זווית הפגיעה, ו היא זווית האור היוצאת מהסורג. הפרעות קונסטרוקטיביות של חזיתות גל מפוזרות שונות מתרחשת בכפולות שלמים של אורך הגל, וזו הסיבה ש"m" מופיע במשוואה (1).mמגדיר את סדר הדיפרקציה:m= 1 נקרא עקיפה-מסדר ראשון,m= 2 הוא עקיפה-שניה, וכן הלאה (איור 2). אִםm= 0, האור מוחזר ישירות מהסורג או מועבר דרכו, תלוי אם מדובר בסורג השתקפות או שידור; זה נקרא עקיפה -אפס. בניגוד למנסרה מפזרת, אורכי גל קצרים יותר תמיד קרובים יותר לאור המוחזר או המשודר ישירות-במקרה זה, הסדר ה-0. קיימת חפיפה מסוימת בין סדרים שונים. כל הזוויות נמדדות מהנורמלי של הסורג (מאונך לסורג).

איור 2. חלק מהאור מוחזר ישירות כעקיפה מסדר -0, בעוד שחלקים אחרים של האור הנכנס מבוטלים לזוויות מסדר ראשון- בהתאם לאורך הגל. כמויות קטנות יותר מופרדות לעקיפה-זווית 2- ו-3- גבוהה יותר.

מה כדאי לקחת בחשבון בבחירת סריג

בעת בחירת סורג, חשוב לציין את טווח אורכי הגל, את אורך הגל הלהבה (אורך הגל בעל היעילות הגבוהה ביותר בספקטרום המבוקע), ואת זווית הלהבה. זווית הלהבה מתארת ​​את זווית העקיפה -ראשונה של אורך הגל הלהבה. בזווית זו, ובמשוואה (1) שווים, והאור הנכנס מוסט בחזרה לכיוון שממנו הגיע. מצב זה נקרא גם תצורת Littrow. הפעלה קרובה לזווית זו מעניקה את היעילות הגבוהה ביותר.

צפיפות החריצים, או תדירות החריצים, מצוינת בדרך כלל. זה היפוך של מרווח החריציםd. תכונה מרכזית של מערכת אופטית היא הפיזור שלה, אך הדבר תלוי הן בתכונות הסורג והן באופן השימוש בסורג. ללא פרטי מערכת אחרים, לא ניתן להקצות לסורג בלבד כלל כגון "סיבוב מסוים מתאים להפרדה מסוימת באורך גל". ניתן לציין גם את כוח הרזולוציה של הרשת, והוא מתייחס לרזולוציה הספקטרלית של המערכת. עם זאת, רזולוציה זו תלויה הן בסורג והן בחריצי הכניסה והיציאה של המערכת. כוח הפתרון של הסורגRתלוי בסדר הספקטרליmומספר החריצים תחת הארהN:

בדרך כלל כל כך הרבה חריצים מוארים שחרכי הכניסה והיציאה-לא הסורג- מגבילים את רזולוציית המערכת. עקומות יעילות יכולות לשמש גם כדי לאמת את רמת העקיפה על פני כל אורכי הגל המשמשים ביישום.

סורג צריך להיות גדול לפחות כמו חרוט האור הנכנס או קרן האור; אחרת האור מהקצוות יאבד. לכן, תמיד יש למלא סורג מתחת כדי למנוע מאור תועה להקפיץ את המערכת וליצור אותות שווא.

סוגי סורגים

סורגי השתקפות לעומת סורגי שידור

שתי הקטגוריות הרחבות ביותר הן רשתות השתקפות ורשתות שידור. איורים 1 ו-2 מציגים רשתות השתקפות: בעצם מראות עם חריצים מיקרוסקופיים. כל סדרי העקיפה משתקפים מהסריג בזוויות שונות. סורג שידור הוא כמו עדשה עם חריצים מיקרוסקופיים: כל סדרי העקיפה עוברים דרך הסורג, אך מתקזזים על ידי הזוויות הנתונות במשוואה (1).

סורגים שלטו מול סורגים הולוגרפיים

ניתן לחלק גם את רשתות ההשתקפות וההעברה לסורגים משולבים וסורגים הולוגרפיים, הנבדלים באופן יצירת פרופילי החריצים. בסורגים מושלים, חריצים חרוטים או חותכים ברכיב באופן מכני. בסורגים הולוגרפיים, חריצים מוכנסים בצורה אופטית: חומר רגיש לאור הנקרא photoresist מופקד על מצע ונחשף לדפוס הפרעות אופטי. לאחר מכן מסירים את הפוטו-רזיסט באופן כימי, ומשאירים את תבנית הסורג. לסורגים שולטים יש בדרך כלל חריצים משולשים (איור 3), בעוד שבסרגים הולוגרפיים יש בדרך כלל חריצים סינוסואידים (איורים 3 ו-4).

איור 3. לרשתות עקיפה משולבות יש בדרך כלל חריצים משולשים. חץ על סורג: כיוון הלהבה.

איור 4. לרשתות עקיפה הולוגרפיות יש בדרך כלל חריצים סינוסואידיים.

אשל גרטינגס

סורג אשל מאופיין במרווח חריצים גדול יותר או צפיפות חריצים נמוכה יותר מאשר סורגים רגילים-בדרך כלל בערך 10×, ולפעמים עד 100×. הארה של רשת אגלה בזווית פגיעה גבוהה ( ) מייצרת פיזור גבוה, רזולוציה גבוהה ויעילות התלויה בקיטוב- נמוכה. הסורגים הללו מתאימים היטב ליישומים הדורשים רזולוציה גבוהה, כגון מכשירים אסטרונומיים רגישים ומערכות השואפות לרזולוציה ברמה אטומית-.

סורגים מטוסים לעומת סורגים קעורים

ניתן לחלק את כל סוגי הסורגים לעיל לסורגים מישוריים וסורגים קעורים, המתארים את צורתם הכוללת. סורגים מישוריים שטוחים ונפוצים יותר. אם החריצים ישרים ומרווחים שווה בשווה, הסורג שטוח, והאור הנכנס מאוזן, אז כל האור המפוזר נשאר מאוזן. זה מועיל ביישומים רבים מכיוון שמאפייני המיקוד של המערכת הופכים בלתי תלויים באורך הגל. בהשוואה לרשתות קעורות, סורגים מישוריים בדרך כלל מפחיתים את מורכבות המערכת. סורגים קעורים מעוקלים, כך שהם מתכנסים או מתפצלים לאור. זה שימושי להפחתת המספר הכולל של רכיבים אופטיים במערכת, אך מאפייני המיקוד תלויים באורך הגל.

יישומי גרירה

מונוכרומטורים

מונוכרומטור משתמש בסורג קעור או מישורי יחד עם מראות כדי לבחור פס צר מהאור הנובע. אם מקור אור לבן-נכנס למכשיר כזה, הוא מסנן את כל אורכי הגל מלבד פס הפלט הצר המיועד. איור 5 מראה כיצד מונוכרומטור מסובב את הסורג כך שאורכי גל שונים עוברים דרך חריץ היציאה בזמן שכל שאר אורכי הגל חסומים.

איור 5. מונוכרומטור גרר מישור- (עליון) ומונוכרומאטור גריר קעור- (תחתון) מסובבים את הסורג כדי לסרוק סדרי עקיפה על פני חריץ היציאה ולקבוע במדויק אילו אורכי גל עשויים לעזוב את המכשיר.

ספקטרומטרים

כמו מונוכרומטורים, ספקטרומטרים מפרידים בין אורכי הגל של מקור פס רחב, אך אין להם חלקים נעים. במקום זאת, כל אורכי הגל המופרדים מצטלמים בו זמנית על מערך גלאים (איור 6). כל אורך גל מצולם על קבוצה שונה של פיקסלים, מה שמאפשר למכשיר לקבוע כמה מכל אורך גל קיים במקור הפס הרחב. ספקטרומטרים משמשים בדרך כלל כאשר נדרש ניתוח ספקטרלי מהיר, מכיוון שאין צורך לסרוק אורכי גל על ​​פני גלאי, וחוסך זמן.

איור 6. ספקטרומטר גרגר מישור- (עליון) וספקטרומטר גריר קעור- (תחתון) שניהם משתמשים בסורג קבוע כדי להפריד אורכי גל תקפים על פיקסלים שונים של מערך גלאים.

כוונון לייזר

ישנן מספר דרכים להשתמש בסורג עקיפה כדי לכוון את הפלט הספקטרלי של הלייזר או לצמצם את פס הפלט שלו. ניתן לסובב את הסורג כך שרק סדר עקיפה מסוים יוצא מהלייזר; הסורג יכול להישאר נייח בזמן שמראה מסתובבת כדי לסנן את פס הפלט; או שהסורג יכול להחליף מראה בתוך הלייזר כדי לצמצם את פס הפלט (איור 7).

איור 7. שלושת ההגדרות הללו מציגות דרכים שונות שבה משתמשים בסורג כדי לכוון את אורך הגל של פלט הלייזר או לצמצם את טווח אורך הגל של הפלט.

מתיחת דופק בלייזר, דחיסה והגברה

לפולסי לייזר קצרים, כגון פולסים מהירים במיוחד, יש לרוב הספק שיא גבוה שעלול לפגוע בציפויים וברכיבים אופטיים רגישים. כדי להימנע מכך, משתמשים לפעמים בזוג רשתות עקיפה כדי למתוח את הדופק, להגדיל את משך הזמן שלו ולהפחית את שיא ההספק שלו. הפולס המתוח יכול לאחר מכן לעבור דרך מגבר אופטי ולהשיג כוח מבלי לפגוע ברכיבים אופטיים כלשהם. זוג סורגים אחר בתצורה ההפוכה יכול לדחוס את משך הפולס לאחר ההגברה, וליצור דופק קצר ועוצמתי- במטרה (איור 8).

איור 8. ניתן להשתמש בסורגים במערכות לייזר דופק הן כדי להגביר את משך הדופק-למניעת נזק-מלייזר- והן כדי להקטין את משך הדופק, תוך הפקת פולסים- בהספק גבוהים במטרה.