Угловая дисперсия дифракционной решетки в чем измеряется

Спектроскопические свойства дифракционных решеток

Введение

Уравнение решетки

Пучок света при попадании на решетку подвергается дифракции, то есть раскладывается на несколько частей. Направление каждой компоненты зависит от длины волны и угла, под которым излучение попадает на решетку. Также имеет значение профиль и глубина штрихов, нанесенных на решетку.

Уравнение решетки полностью описывает свойства прибора, его можно записать как:

(1)

Порядок дифракции

Угловая дисперсия характеризует величину изменения угла дифракции за единицу изменения длины волны. Измеряется как угловое расстояние между смежными длинами волн. Выражение угловой дисперсии определяется как производная левой части уравнения решетки при фиксированном угле падения:

(2)

Повысить дисперсию возможно с помощью увеличения частоты штрихов либо с помощью решетки с крупно нарезанными штрихами. В основном используются решетки с мелкими штрихами, поскольку для практических применений обычно необходим более широкий спектр.

Волновая дисперсия выходной щели спектроскопического прибора обычно определяется как обратная линейная дисперсия в нано- или миллиметре. Фокусное расстояние прибора обозначается как f, и тогда общая формула обратной линейной дисперсии принимает вид:

(3)

Габариты оптической системы зависят в том числе и от фокусного расстояния. Наиболее компактными считаются голографические дифракционные решетки с высокой частотой штрихов.

Рассеяние света также важная характеристика дифракционных решеток. Данная характеристика определяет предел обнаружения.

Голографические решетки отличаются меньшим светорассеянием и полным отсутствием «ложных» спектров на картине, поскольку метод голографической записи дает более точные промежутки между интерференционными полосами (штрихами). Однако если используются источники рассеянного света, светорассеяние голографической решетки повысится.

Область свободной дисперсии

Из уравнения дифракционной решетки можно вывести следующую закономерность: длина волны падающего света λ соответствует первому порядку дифракции, λ/2 – второму порядку дифракции, λ/3 – третьему и т. д. Очень часто при использовании решеток нужно каким-либо образом ограничивать порядки дифракции: например, с помощью полосового фильтра, либо используя ограниченный диапазон длин волн источника света или приемника.

(4)

Разрешающая способность

Спектральное разрешение дифракционной решетки Δλ определяется как расстояние между двумя пиками спектральных полос, которые только могут быть обнаружены приемником как раздельные. Из теории известно, что дифракционные решетки имеют предел разрешения, обусловленный свойствами конкретного прибора и источника.

Разрешающая способность дифракционной решетки есть безразмерное число R. Краткая формула имеет вид:

(5)

где m – порядок дифракции, N – общее число штрихов на рабочей поверхности решетки. Как видно из формулы, существует предел произведения порядка дифракции и количества штрихов.

Теоретическое значение разрешающей способности решетки всегда несколько выше реального, поскольку существуют дефекты поверхности решетки и профиля пучка.

В качестве расчетного примера рассмотрим 110-миллиметровую решетку с частотой 1800 штрихов/мм. В первом порядке дифракции теоретическая разрешающая способность равна 198000, спектральное разрешение составляет 0.03 нм при длине волны 500 нм.

Эффективность дифракционной решетки

Абсолютная эффективность определяется как величина падающего потока, который дифрагирует в заданном порядке дифракции. Относительная эффективность связана с коэффициентом отражения зеркала, покрытого тем же составом, что и решетка. Следует отметить, что относительная эффективность всегда выше, чем абсолютная.

В большинстве приложений используется только один порядок дифракции, где «идеальная» решетка обеспечивала бы стопроцентную абсолютную эффективность. Однако эффективность реальной решетки, как правило, является сложной функцией длины волны и поляризации падающего света, также зависит от частоты штрихов, профиля и материала решетки. В случае излучения с поперечной магнитной поляризацией, когда вектор электрического поля перпендикулярен штрихам решетки, можно наблюдать быстрые скачки эффективности даже при небольшом изменении длины волны. Этот феномен был впервые обнаружен Р. В. Вудом в 1902 году, поэтому скачки эффективности дифракционной решетки обычно называют аномалиями Вуда.

Синусоидальные решетки

Синусоидальный профиль штрихов характерен для голографического метода изготовления дифракционных решеток. Кривая эффективности голографической решетки в отличие от решетки, изготовленной традиционным методом нарезки, более гладкая и однородная.

Отражательная дифракционная решетка

Отражательные дифракционные решетки предназначены для конкретной длины волны, рабочий диапазон варьируется от угла решетки. Абсолютная эффективность резко снижается в диапазонах, отличных от рабочего, при этом в рабочей области может составлять примерно 70%.

Перестраивание длины волны лазерного источника

Голографические решетки часто используются для перестраивания длины волны лазера. Решетка выполняет роль селективного торцевого зеркала в резонаторе. При использовании дифракционной решетки для перестраивания длины волны лазерного излучения применяются две основные конфигурации – схема Литтроу и схема скользящего падения (также известна как схема Литтмана).

Конфигурация Литтроу

Решетка установлена так, чтобы свет желаемой длины волны дифрагировал в обратном направлении вдоль падающего излучения, а длина волны распознается вращением решетки. Внутри резонатора обычно используется ахроматическая линза, которая расширяет лазерный пучок, чтобы заполнить как можно большую площадь решетки. В качестве выходного излучения принимается излучение нулевого порядка дифракции. Недостатком этой конфигурации является то, что направление пучка меняется вместе с поворотом решетки.

Конфигурация Литтмана

Эффективность схемы Литтмана может быть очень высокой, в особенности если используется входное излучение с поляризацией, перпендикулярной штрихам решетки (поперечной магнитной поляризацией). В случае поперечной электрической поляризации эффективность заметно снижается.

Компрессия импульса

Когда короткий лазерный импульс передается через оптическое волокно, импульс как бы растягивается или «чирпируется» из-за нелинейных эффектов (явление так называемой фазовой автомодуляции).

Например, импульс падает на решетку с нормальной оптической дисперсией, то есть длинноволновая часть излучения проходит через оптическую систему быстрее, чем коротковолновая. Используя пару решеток, можно найти такое расположение, чтобы длинноволновая часть импульса проходила более длинный путь. В оптимальном случае на выходе образуется ограниченный импульс. Пара решеток не только компенсирует уширение импульса в волокне, но и сокращает его растяжение. Сжатие может достигать 90 раз.

Усиление чирпированного импульса

Очень короткие импульсы (

100 фс) генерируются лазерами с синхронизацией мод. Эти импульсы имеют слишком низкую пиковую мощность. Техника усиления чирпированных импульсов позволяет достичь пиковых мощностей порядка ТВт.

Усилитель представляет собой лазерный кристалл внутри резонатора. Чтобы избежать влияния нелинейных эффектов, разрушающих кристаллы, входной импульс расширяется во времени, что приводит к снижению пиковой мощности. Далее чирпированный импульс снова усиливается и затем сжимается для достижения высокой мощности. Нужно также отметить, что длительность выходного импульса в результате практически равна длительности входного.

Расширение и сжатие

Как при растяжении, так и при сжатии используются пары решеток, расположенные в субтрактивном дисперсионном режиме: то есть так, что угловая дисперсия первой решетки вычитается второй решеткой. Два параллельных пучка с разными длинами волн, падающие на первую решетку, остаются параллельными и после прохождения сквозь вторую решетку, несмотря на разницу пройденных расстояний.

Пара решеток, расположенная параллельно, будет вводить отрицательную дисперсию групповой скорости, то есть длинноволновые части излучения приходят позже, чем коротковолновые.

Для достижения положительной дисперсионной задержки необходима более сложная схема, в этом случае система афокальных линз (телескоп) размещается между решетками. Телескоп регулирует знак углов так, чтобы пучки падали на вторую решетку под тем же углом, что и на первую.

Расширитель и компрессор пучка обычно используются в двухпроходном режиме. Из преимуществ этого режима: удвоение дисперсии. Все длинноволновые компоненты пучка становятся коллинеарными, а не линейными, как это происходило бы в режиме одного прохода.

Инструменты для спектроскопии

Стандартный набор для спектроскопических исследований в основном состоит из входной апертуры, коллиматора, рассеивающего элемента, фокусирующих оптических компонентов, в отдельных случаях набор дополняется выходной апертурой. Свет, попадающий на входную щель, в коллиматоре (обычно вогнутое зеркало) преобразуется в параллельный пучок.

Рассеивающий элемент (решетка) отклоняет излучение под углом, зависящим от длины волны. Рассеянный свет фокусируется на плоскости изображения, где и формируется спектр (серия монохроматических изображений входной щели).

Монохроматоры

В монохроматоре установлена выходная апертура, с помощью которой передается очень узкая часть спектра. Входная и выходная щели жестко закреплены, сканирование спектра осуществляется вращением решетки. Итак, решетка работает с постоянным угловым отклонением между падающим и рассеянным светом. Данная схема реализована в большинстве монохроматоров типа Черни-Тернера, Эберта и Литтроу.

Волоконная оптика

Голографические решетки отлично подходят для приложений волоконной оптики благодаря компактным размерам, высокой частоте штрихов, эффективности и угловой дисперсии.

Рамановская спектроскопия и эксперименты по рассеянию лазерного излучения

В исследованиях, связанных с рассеянием лазерного излучения (рамановская спектроскопия и рассеяние Томсона), где требуется диагностика плазмы, требования к решетке очень высоки. Образец освещается лазерным излучением, резонансное рассеяние приводит к появлению слабых спектральных линий, близких к основной полосе. В рамановской спектроскопии интенсивность спектральной картины наиболее низкая, что и является основной проблемой данного метода.

Требуемое разрешение достигается с помощью крупногабаритных приборов с большим фокусным расстоянием, при этом все оптические поверхности должны иметь высочайшее качество. При работе в непосредственной близости от интенсивной спектральной линии аберрации оптической системы и дифракция Фраунгофера от упоров апертуры могут провоцировать значительное светорассеяние.

Решетки Spectrogon с низким уровнем светорассеяния изготавливаются на подложках высокого качества, потому такая решетка практически не будет вносить аберрации. Подобные решетки часто устанавливаются в масс-спектрометрах с двойной или тройной фокусировкой для уменьшения рассеянного света.

Голографические решетки становятся распространенным предпочтением. Нарезные решетки, несмотря на высокое качество, все равно порождают ложные спектры, сильно искажающие исследуемые сигналы.

Спектроскопия поглощения

Абсорбционная спектроскопия является еще одним приложением, в котором низкий уровень светорассеяния голографических решеток имеет большое преимущество. Уровень рассеянного света напрямую связан с диапазоном поглощения прибора, и чем меньше рассеянного света, тем более точный спектр поглощения можно получить.

Источник света в абсорбционной спектроскопии обычно представляет собой широкополосный источник, и поэтому рассеянный свет будет состоять из сплошного спектра. Каждый компонент длины волны падающего света порождает спектр рассеяния, в центре которого находится фактическая длина волны. Результирующий рассеянный свет является суммой всех длинноволновых компонентов.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Spectrogon на территории РФ

Источник

Дисперсия и разрешающая сила решетки

Основное назначение ДР состоит в использовании для исследования спектрального состава излучения. Для этого ДР должна создавать такую дифракционную картину, чтобы при наличии в исследуемом излучении различных, даже незначительно отличающихся длин волн, их можно было бы идентифицировать, т.е. главные максимумы для излучения близких длин волн воспринимались бы глазом или иным регистрирующим прибором раздельно, без наложения друг на друга. Рассмотрим, чем определяются и как описываются эти возможности ДР.

Определим угловую ширину центрального максимума, т.е. угол, который составляют лучи идущие к ближайшим к нему минимумам. Положение ближайших минимумов определяется условием, . Следовательно, min соответствуют углы:

. (13)

Соответственно угловая ширина центральногомаксимума:

(14)

Произведение – есть длина решетки. Следовательно, угловая ширина главного максимума обратно пропорциональна длине решетки. Можно показать, что с увеличением порядка максимума его угловая ширина увеличивается.

Разрешающая сила определяет минимальную разность длин волн dl, при которой две спектральные линии воспринимаются в спектре раздельно. Согласно критерию Рэлея, линии считаются различимыми, если в дифракционной картине середина одного максимума приходится на край (ближайший минимум) другого.

Можно показать, что:

угловая дисперсия определяется соотношением

, где (15)

– угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися на . Очевидно, что дисперсия определяется постоянной (периодом) ДР и увеличивается при уменьшении постоянной. Т.е., при прочих равных условиях, решетка с меньшей постоянной дает более широкий спектр.

, где (16)

— фокусное расстояние используемой линзы.

Разрешающая сила ДР:

. (17)

Как видно из (17) разрешающая сила определяется количеством щелей N в ДР. Чем больше щелей, тем более четкую картину дает ДР. Именно поэтому лучшие решетки имеют до 1200 штрихов на 1 мм при общей длине до 200 мм.

Отметим в дополнение, что дифракционные решетки бывают прозрачные и отражательные. Существуют также вогнутые отражательные решетки, которые без использования линз позволяют фокусировать дифракционные спектры.

Дата добавления: 2016-02-11 ; просмотров: 2428 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Угловая и линейная дисперсии, разрешающая сила дифракционной решетки

При этом суммарная интенсивность в провале между двумя линиями дифракционного спектра равна 0,7 от интенсивности максимумов. Считается, что такое различие в интенсивностях может быть легко зарегистрировано глазом (рис.3.21а).

Если же спектральные линии расположены ближе, то в промежутке между линиями будет находиться провал меньшей глубины (неразличимый глазом) или вообще «горб» интенсивности (рис.3.21 б). Получим на основе критерия Рэлея выражение для разрешающей силы дифракционной решетки. λ1 λ 2 a) λ 1 λ 2 б) Положение середины k-го максимума для длины волны λ1 определяем dsinφmax = mλ1.

Из условия Рэлея следует, что Обозначим тогда Отсюда или

Итак, дифракционная решетка способна разрешить тем более близкие спектральные линии, чем больше у нее число щелей N и чем выше порядок спектра k. У современных решеток число штрихов достигает 1200 на 1 мм.

Источник

Характеристики дифракционной решетки

Качество дифракционной решетки характеризуется ее угловой дисперсией и разрешающей силой.

.

Угловую дисперсию дифракционной решетки можно найти, взяв дифференциал от (3): d cos j dj = k d l, откуда

.

Чем меньше период решетки d и чем выше порядок спектра k, тем больше угловая дисперсия. В пределах небольших углов (cos j » 1) можно положить

Возможность разрешения (т.е. раздельного восприятия) двух близких спектральных линий зависит не только от расстояния между ними, которое определяется дисперсией решетки D, но и от ширины спектрального максимума.

Если максимумы спектральных линий расположены настолько близко, а ширина максимумов так велика, что минимум между линиями исчезает (рис. 12, слева, сплошная кривая) или этот минимум есть, но интенсивность в промежутке между максимумами составляет более 80% от интенсивности максимума (рис. 12, справа, сплошная кривая), то оба максимума (l₁ и l₂ ) воспринимаются как один. Два близких максимума воспринимаются глазом раздельно, если интенсивность в промежутке между ними составляет не более 80% от интенсивности максимума. Согласно критерию Рэлея такое соотношение интенсивности имеет место, если середина одного максимума совпадает с краем другого.

Разрешающая сила. Разрешающей силой R решетки называется величина, обратная минимальной разности длин волн Dl взятой около некоторой длины волны l, разрешенных данной решеткой:

R = l / Dl .

Можно показать, что

Большая разрешающая сила решетки достигается за счет больших значений N.

Задание 1 Ознакомление с дифракционными картинами различных типов на установке РМС-2

Описание лабораторной установки.Внешний вид лабораторной установки приведен на рисунке 13. Источником света служит полупроводниковый (GaAs) лазер (λ = 623 нм). Параллельный световой пучок освещает фотолитографический тест-объект МОЛ-1, который представляет собой тонкий стеклянный диск с непрозрачным покрытием, на котором по кругу параллельно радиусу нанесены пары щелей с разными расстояниями между ними, одиночные щели разной ширины, круглые отверстия различных диаметров, а в центре – двумерная дифракционная решетка.

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 2671 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Угловая дисперсия дифракционной решетки

Дифракционная решетка как спектральный прибор

Из условия главного максимума (19.4.1)

видно, что положение главного максимума зависит от длины волны λ. Зная постоянную решетки d, измерив на опыте угол φ, под которым находится максимум известного порядка m можно из условия главного максимума определить длину волны λ.

Если в получаемом спектре присутствуют две линии, длины волн которых λ₁ и λ₂ = λ₁ + δλ незначительно отличаются, то возможность их раздельного восприятия определяется двумя причинами:

а) угловым расстоянием между максимумами;

По определению, угловой дисперсией D называется величина:

.

Выразим угловую дисперсию через постоянную решетки d, порядок спектра m и угол φ, под которым наблюдается максимум. Для этого найдем дифференциал от правой и левой части условия главного максимума (19.4.1):

При малых φ Cosφ ≈ 1 и

.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник