Beugungsgitter

Optische dispersive Elemente · Spektroskopie · Laser · Telekommunikation · Quelle: PhotonLab

Beugungsgitter sind wichtige optische Komponenten in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Spektrometer, andere Analyseinstrumente, Telekommunikation und Lasersysteme. Ein Gitter enthält eine mikroskopisch kleine periodische Rillenstruktur, die einfallendes Licht durch Beugung in mehrere Strahlengänge aufteilt, wodurch sich Licht unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedene Richtungen ausbreitet. Dadurch ähnelt ein Beugungsgitter funktionell einem dispersiven Prisma, obwohl ein Prisma Wellenlängen durch wellenlängenabhängige Brechung und nicht durch Beugung trennt (Abbildung 1).

Abbildung 1. Ein dispersives Prisma trennt Wellenlängen durch Brechung (oben), während ein Beugungsgitter Wellenlängen aufgrund seiner Oberflächenstruktur durch Beugung trennt (unten).

Auf ein Gitter einfallendes Licht wird gemäß der Gittergleichung gebeugt:

Hier,mist eine ganze Zahl, die die Beugungsordnung (oder Spektralordnung) beschreibt,λist die Wellenlänge des Lichts,dist der Abstand zwischen den Rillen auf dem Gitter, ist der Einfallswinkel und ist der Beugungswinkel des Lichts, das das Gitter verlässt. Konstruktive Interferenz verschiedener gebeugter Wellenfronten tritt bei ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge auf, weshalb „m“ in Gleichung (1) erscheint.mdefiniert die Beugungsordnung:m= 1 heißt Beugung erster-Ordnung,m= 2 ist die Beugung zweiter-Ordnung usw. (Abbildung 2). Wennm= 0, das Licht wird entweder direkt vom Gitter reflektiert oder durch das Gitter hindurchgelassen, je nachdem, ob es sich um ein Reflexions- oder Transmissionsgitter handelt; Dies wird als Beugung nullter Ordnung bezeichnet. Im Gegensatz zu einem dispersiven Prisma liegen kürzere Wellenlängen immer näher am direkt reflektierten oder durchgelassenen Licht-in diesem Fall der 0. Ordnung. Es gibt gewisse Überschneidungen zwischen verschiedenen Bestellungen. Alle Winkel werden von der Gitternormalen (senkrecht zum Gitter) gemessen.

Abbildung 2. Ein Teil des Lichts wird direkt als Beugung 0.-Ordnung reflektiert, während andere Teile des einfallenden Lichts je nach Wellenlänge in Winkel erster -Ordnung gebeugt werden. Kleinere Beträge werden in die Beugung höherer -Winkel 2.- und 3.{9}}Ordnung aufgetrennt.

Was Sie bei der Auswahl eines Gitters beachten sollten

Bei der Auswahl eines Gitters ist es wichtig, den Wellenlängenbereich, die Blaze-Wellenlänge (die Wellenlänge mit der höchsten Effizienz im Beugungsspektrum) und den Blaze-Winkel anzugeben. Der Blaze-Winkel beschreibt den Beugungswinkel erster -Ordnung der Blaze-Wellenlänge. Bei diesem Winkel und in Gleichung (1) sind sie gleich und das einfallende Licht wird in die Richtung zurückgebeugt, aus der es kam. Dieser Zustand wird auch Littrow-Konfiguration genannt. Der Betrieb in der Nähe dieses Winkels ergibt die höchste Effizienz.

Normalerweise wird die Rillendichte oder Rillenfrequenz angegeben. Es ist der Kehrwert des Rillenabstandsd. Eine Schlüsseleigenschaft eines optischen Systems ist seine Dispersion. Diese hängt jedoch sowohl von den Eigenschaften des Gitters als auch davon ab, wie das Gitter verwendet wird. Ohne weitere Systemdetails kann einem Gitter allein keine Regel wie „Eine bestimmte Drehung entspricht einem bestimmten Wellenlängenabstand“ zugeordnet werden. Das Auflösungsvermögen eines Gitters kann ebenfalls angegeben werden und bezieht sich auf die spektrale Auflösung des Systems. Diese Auflösung hängt jedoch sowohl vom Gitter als auch von den Eintritts- und Austrittsspalten des Systems ab. Das Auflösungsvermögen des GittersRhängt von der Spektralordnung abmund die Anzahl der Rillen unter BeleuchtungN:

Normalerweise werden so viele Rillen beleuchtet, dass die Eintritts- und Austrittsspalte-nicht das Gitter-die Systemauflösung begrenzen. Effizienzkurven können auch verwendet werden, um das Beugungsniveau über alle in der Anwendung verwendeten Wellenlängen zu überprüfen.

Ein Gitter sollte mindestens so groß sein wie der einfallende Lichtkegel oder -strahl; andernfalls geht Licht von den Rändern verloren. Daher sollte ein Gitter immer unterfüllt sein, um zu verhindern, dass Streulicht im System reflektiert wird und falsche Signale erzeugt.

Arten von Gittern

Reflexionsgitter vs. Transmissionsgitter

Die beiden weitesten Kategorien sind Reflexionsgitter und Transmissionsgitter. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen Reflexionsgitter: im Wesentlichen Spiegel mit mikroskopischen Rillen. Alle gebeugten Ordnungen werden in unterschiedlichen Winkeln vom Gitter reflektiert. Ein Transmissionsgitter ist wie eine Linse mit mikroskopisch kleinen Rillen: Alle gebeugten Ordnungen passieren das Gitter, werden jedoch um die in Gleichung (1) angegebenen Winkel versetzt.

Regelgitter im Vergleich zu holografischen Gittern

Sowohl Reflexions- als auch Transmissionsgitter lassen sich weiter in Regelgitter und holographische Gitter unterteilen, die sich in der Art und Weise der Erzeugung der Rillenprofile unterscheiden. Bei Regelgittern werden Rillen mechanisch in das Bauteil eingraviert oder geschnitten. In holographischen Gittern werden Rillen optisch eingebracht: Ein lichtempfindliches Material namens Photoresist wird auf einem Substrat abgeschieden und einem optischen Interferenzmuster ausgesetzt. Anschließend wird der verbleibende Fotolack chemisch entfernt, wobei das Gittermuster zurückbleibt. Regelgitter haben normalerweise dreieckige Rillen (Abbildung 3), während holographische Gitter normalerweise sinusförmige Rillen haben (Abbildungen 3 und 4).

Abbildung 3. Regelförmige Beugungsgitter haben typischerweise dreieckige Rillen. Pfeil auf dem Gitter: Richtung des Feuers.

Abbildung 4. Holographische Beugungsgitter haben typischerweise sinusförmige Rillen.

Echelle-Gitter

Ein Echelle-Gitter zeichnet sich durch einen größeren Rillenabstand oder eine geringere Rillendichte als gewöhnliche Gitter aus-typischerweise etwa 10× und manchmal bis zu 100×. Die Beleuchtung eines Echelle-Gitters mit einem hohen Einfallswinkel ( ) erzeugt eine hohe Dispersion, eine hohe Auflösung und einen geringen polarisationsabhängigen Wirkungsgrad. Diese Gitter eignen sich gut für Anwendungen, die eine hohe Auflösung erfordern, wie z. B. empfindliche astronomische Instrumente und Systeme, die eine Auflösung auf atomarer Ebene anstreben.

Plane Gitter vs. konkave Gitter

Alle oben genannten Gittertypen können anhand ihrer Gesamtform weiter in ebene Gitter und konkave Gitter unterteilt werden. Plane Gitter sind flach und häufiger anzutreffen. Wenn die Rillen gerade und gleichmäßig verteilt sind, das Gitter flach ist und das einfallende Licht kollimiert ist, bleibt das gesamte gebeugte Licht kollimiert. Dies ist in vielen Anwendungen von Vorteil, da die Fokussierungseigenschaften des Systems unabhängig von der Wellenlänge werden. Im Vergleich zu konkaven Gittern reduzieren ebene Gitter in der Regel auch die Systemkomplexität. Konkave Gitter sind gekrümmt, sodass sie das Licht entweder bündeln oder streuen. Dies ist nützlich, um die Gesamtzahl optischer Komponenten in einem System zu reduzieren, die Fokussierungseigenschaften hängen dann jedoch von der Wellenlänge ab.

Gitteranwendungen

Monochromatoren

Ein Monochromator verwendet ein konkaves oder ebenes Gitter zusammen mit Spiegeln, um aus dem einfallenden Licht ein schmales Band auszuwählen. Wenn eine weiße-Lichtquelle in ein solches Gerät eindringt, filtert sie alle Wellenlängen außer dem vorgesehenen schmalen Ausgangsband heraus. Abbildung 5 zeigt, wie ein Monochromator das Gitter dreht, sodass verschiedene Wellenlängen durch den Austrittsspalt gelangen, während alle anderen Wellenlängen blockiert werden.

Abbildung 5. Planer-Gittermonochromator (oben) und konkaver-Gittermonochromator (unten) drehen beide das Gitter, um Beugungsordnungen über den Austrittsspalt zu scannen und genau zu bestimmen, welche Wellenlängen das Gerät verlassen dürfen.

Spektrometer

Spektrometer trennen wie Monochromatoren die Wellenlängen einer Breitbandquelle, verfügen jedoch über keine beweglichen Teile. Stattdessen werden alle getrennten Wellenlängen gleichzeitig auf ein Detektorarray abgebildet (Abbildung 6). Jede Wellenlänge wird auf einen anderen Satz von Pixeln abgebildet, sodass das Gerät bestimmen kann, wie viel von jeder Wellenlänge in der Breitbandquelle vorhanden ist. Spektrometer werden typischerweise dann eingesetzt, wenn eine schnelle Spektralanalyse erforderlich ist, da kein Wellenlängenscan über einen Detektor erforderlich ist, was Zeit spart.

Abbildung 6. Spektrometer mit ebenem -Gitter (oben) und Spektrometer mit konkavem -Gitter (unten) verwenden beide ein festes Gitter, um einfallende Wellenlängen auf verschiedene Pixel eines Detektorarrays aufzuteilen.

Lasertuning

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Beugungsgitter zu verwenden, um die spektrale Leistung eines Lasers abzustimmen oder sein Ausgangsband zu verengen. Das Gitter kann so gedreht werden, dass nur eine bestimmte Beugungsordnung den Laser verlässt; das Gitter kann stationär bleiben, während sich ein Spiegel dreht, um das Ausgangsband zu filtern; Alternativ kann das Gitter einen Spiegel im Inneren des Lasers ersetzen, um das Ausgangsband schmaler zu machen (Abbildung 7).

Abbildung 7. Diese drei Aufbauten zeigen verschiedene Möglichkeiten, wie ein Gitter verwendet wird, um die Laserausgangswellenlänge abzustimmen oder den Ausgangswellenlängenbereich einzugrenzen.

Laserpulsdehnung, -kompression und -verstärkung

Kurze Laserpulse, beispielsweise ultraschnelle Pulse, weisen häufig eine hohe Spitzenleistung auf, die empfindliche optische Beschichtungen und Komponenten beschädigen kann. Um dies zu vermeiden, wird manchmal ein Paar Beugungsgitter verwendet, um den Impuls zu strecken, wodurch seine Dauer verlängert und seine Spitzenleistung verringert wird. Der gestreckte Impuls kann dann einen optischen Verstärker durchlaufen und an Leistung gewinnen, ohne dass optische Komponenten beschädigt werden. Ein anderes Gitterpaar in der umgekehrten Konfiguration kann die Impulsdauer nach der Verstärkung komprimieren und so einen kurzen Impuls mit hoher -Leistung am Ziel erzeugen (Abbildung 8).

Abbildung 8. Gitter können in gepulsten Lasersystemen verwendet werden, um sowohl die Pulsdauer zu erhöhen-durch Laser verursachte-Schäden zu verhindern-als auch die Pulsdauer zu verkürzen und so Pulse mit hoher-Leistung am Ziel zu erzeugen.