Дифракционная решетка

редактировать

Очень большая отражающая дифракционная решетка лампа накаливания, просматриваемая через пропускающую дифракционную решетку.

В оптике дифракционная решетка представляет собой оптический компонент с периодической структурой, которая разделяет и дифрагирует свет на несколько лучей, движущихся в разных направлениях. Возникающая окраска является формой структурной окраски. Направления этих лучей зависят от расстояния между решеткой и длины волны света, так что решетка действует как рассеивающий элемент . Из-за этого решетки обычно используются в монохроматорах и спектрометрах.

. Для практических применений решетки обычно имеют гребни или бороздки на своей поверхности, а не темные линии. Такие решетки могут быть пропускающими или отражающими. Также создаются решетки, которые модулируют фазу, а не амплитуду падающего света, часто с использованием голографии.

Принципы дифракционных решеток были обнаружены Джеймсом Грегори, примерно через год после Эксперименты с призмой Исаака Ньютона, первоначально с такими предметами, как перья птиц. Первая искусственная дифракционная решетка была сделана около 1785 Филадельфией изобретателем Дэвидом Риттенхаусом, который натянул волосы между двумя винтами с тонкой резьбой. Это было похоже на проволочную дифракционную решетку известного немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера в 1821. Решетки с наименьшим расстоянием между линиями (d) были созданы в 1860-х годах Фридрихом Адольфом Нобертом (1806–1881) в Грайфсвальде; затем два американца Льюис Моррис Резерфёрд (1816–1892) и Уильям Б. Роджерс (1804–1882) взяли на себя инициативу; и к концу XIX века вогнутые решетки Генри Августа Роуленда (1848–1901) были лучшими из имеющихся.

Дифракция может создавать "радужные" цвета при освещении источник света широкого спектра (например, непрерывный). Яркие эффекты от близко расположенных узких дорожек на оптических дисках хранения, таких как CD или DVD, являются примером. Подобные эффекты радуги, наблюдаемые в тонких слоях масла (или бензина и т. Д.) На воде, вызваны не решеткой, а скорее радужной оболочкой в отражениях от близко расположенных пропускающих слоев. Решетка имеет параллельные линии, а компакт-диск - спираль из четко разнесенных дорожек данных. Цвета дифракции также появляются, когда кто-то смотрит на яркий точечный источник через полупрозрачное покрытие из тонкой ткани зонтика. Пластиковые пленки с декоративным рисунком на основе световозвращающих решеток очень недорогие и обычные.

Содержание

  • 1 Теория действия
    • 1.1 Квантовая электродинамика
  • 2 Решетки как диспергирующие элементы
  • 3 Изготовление
  • 4 Примеры
    • 4.1 Решетки из электронных компонентов
    • 4.2 Естественные решетки
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Принцип действия

Дифракционная решетка, отражающая только зеленую часть спектра от люминесцентного освещения комнаты

Соотношение между шагом решетки и углами падающего и дифрагированного лучей света известно как уравнение решетки. Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, каждую точку на волновом фронте распространяющейся волны можно рассматривать как точечный источник, а волновой фронт в любой последующей точке можно найти, сложив вместе вклады от каждой этих отдельных точечных источников. Решетки могут быть «отражающего» или «пропускающего» типа, аналогично зеркалу или линзе соответственно. Решетка имеет «моду нулевого порядка» (где m = 0), в которой нет дифракции, и луч света ведет себя в соответствии с законами отражения и преломления, как с зеркалом или линзой соответственно.

Диаграмма, показывающая разность хода между лучами, рассеянными от соседних линеек отражающей дифракционной решетки.

Идеализированная решетка состоит из набора щелей с шагом d, которые должны быть шире, чем интересующая длина волны, чтобы вызвать дифракцию. Предполагая, что плоская волна монохроматического света с длиной волны λ с нормальным падением (перпендикулярно решетке), каждая щель в решетке действует как квазиточечный источник, от которого свет распространяется во всех направлениях (хотя обычно это ограничено полушарием). После взаимодействия света с решеткой дифрагированный свет состоит из суммы составляющих интерферирующей волны, исходящих из каждой щели в решетке. В любой заданной точке пространства, через которую может проходить дифрагированный свет, длина пути до каждой щели в решетке меняется. Поскольку длина пути, как правило, варьируется, то же самое происходит и с фазами волн в этой точке от каждой щели. Таким образом, они складываются или вычитаются друг из друга, создавая пики и спады за счет аддитивной и деструктивной интерференции. Когда разница в пути между светом из соседних щелей равна половине длины волны λ / 2, волны не совпадают по фазе и, таким образом, подавляют друг друга, создавая точки с минимальной интенсивностью. Точно так же, когда разность хода равна λ, фазы складываются и возникают максимумы. Для пучка, падающего нормально на решетку, максимумы возникают при углах θ m, которые удовлетворяют соотношению d sinθ m / λ = | m |, где θ m - угол между дифрагированным лучом и вектором нормали решетки, а d - расстояние от центра одной щели до центра соседней щели, и m представляет собой целое число, представляющее интересующий режим распространения.

Сравнение спектров, полученных от дифракционной решетки путем дифракции (1) и призмы путем преломления (2). Более длинные волны (красный) дифрагируют больше, но преломляются меньше, чем более короткие волны (фиолетовый). Интенсивность как тепловая карта для монохроматического света за решеткой

Таким образом, когда свет обычно падает на решетку, дифрагированный свет имеет максимумы при углах θ m, определяемых как:

d sin ⁡ θ m = m λ. {\ displaystyle d \ sin \ theta _ {m} = m \ lambda.}d \ sin \ theta _ {m} = m \ lambda.

Можно показать, что если плоская волна падает под любым произвольным углом θ i, уравнение решетки принимает следующий вид:

d (грех ⁡ θ i - грех ⁡ θ m) = m λ. {\ displaystyle d (\ sin \ theta _ {i} - \ sin \ theta _ {m}) = m \ lambda.}{\ displaystyle d (\ sin \ theta _ {i} - \ sin \ theta _ {m}) = m \ lambda.}

При решении для максимумов дифрагированных углов уравнение выглядит следующим образом:

θ m = arcsin (sin ⁡ θ i - m λ d). {\ displaystyle \ theta _ {m} = \ arcsin \! \ left (\ sin \ theta _ {i} - {\ frac {m \ lambda} {d}} \ right) \ !.}{\ displaystyle \ theta _ {м } = \ arcsin \! \ left (\ sin \ theta _ {i} - {\ frac {m \ lambda} {d}} \ right) \ !.}

Обратите внимание что эти уравнения предполагают, что обе стороны решетки контактируют с одной и той же средой (например, воздухом). Свет, который соответствует прямому пропусканию (или зеркальное отражение в случае отражающей решетки), называется нулевым порядком и обозначается m = 0. Остальные максимумы возникают при углах, представленных ненулевыми целыми числами. м. Обратите внимание, что m может быть положительным или отрицательным, что приводит к дифрагированным порядкам по обе стороны от луча нулевого порядка.

Этот вывод уравнения решетки основан на идеализированной решетке. Однако соотношение между углами дифрагированных лучей, шагом решетки и длиной волны света применимо к любой регулярной структуре с таким же расстоянием, потому что фазовое соотношение между светом, рассеянным соседними элементами решетки, остается неизменным. Детальное распределение дифрагированного света зависит от детальной структуры элементов решетки, а также от количества элементов в решетке, но всегда дает максимумы в направлениях, заданных уравнением решетки.

Могут быть изготовлены решетки, в которых различные свойства падающего света модулируются по периодической схеме; к ним относятся

Уравнение решетки применимо во всех этих случаях.

Квантовая электродинамика

Спиральная люминесцентная лампа, сфотографированная в отражательной дифракционной решетке, демонстрирующая различные спектральные линии, создаваемые лампой.

Квантовая электродинамика (КЭД) предлагает еще один вывод свойств дифракционной решетки с точки зрения фотоны как частицы (на каком-то уровне). КЭД можно интуитивно описать с помощью формулировки интеграла по путям квантовой механики. Таким образом, он может моделировать фотоны как потенциально следующие по всем путям от источника до конечной точки, каждый путь с определенной амплитудой вероятности . Эти амплитуды вероятности могут быть представлены как комплексное число или эквивалентный вектор - или, как Ричард Фейнман просто называет их в своей книге по КЭД, «стрелами».

Для вероятности того, что определенное событие произойдет, суммируются амплитуды вероятностей для всех возможных способов, которыми событие может произойти, а затем возводится квадрат длины результата. Амплитуда вероятности того, что фотон из монохроматического источника достигнет определенной конечной точки в заданное время, в этом случае может быть смоделирована как стрелка, которая быстро вращается, пока не будет оценена, когда фотон достигнет своей конечной точки. Например, для вероятности того, что фотон отразится от зеркала и будет наблюдаться в заданной точке через заданное количество времени, задается амплитуда вероятности вращения фотона, когда он покидает источник, следует за ним к зеркалу, а затем до конечной точки, даже для траекторий, которые не связаны с отражением от зеркала под равными углами. Затем можно оценить амплитуду вероятности в конечной точке фотона; затем можно проинтегрировать по всем этим стрелкам (см. векторную сумму ) и возвести в квадрат длину результата, чтобы получить вероятность того, что этот фотон отразится от зеркала соответствующим образом. Время, по которому проходят эти пути, и определяет угол стрелки амплитуды вероятности, поскольку можно сказать, что они «вращаются» с постоянной скоростью (которая связана с частотой фотона).

Время прохождения пути около классического места отражения зеркала почти одинаково, поэтому амплитуды вероятностей указывают примерно в одном направлении - таким образом, они имеют значительную сумму. Изучение путей к краям зеркала показывает, что время прохождения ближайших путей сильно отличается друг от друга, и, таким образом, мы суммируем векторы, которые быстро сокращаются. Таким образом, существует более высокая вероятность того, что свет будет следовать почти классическому пути отражения, чем пути дальше. Однако из этого зеркала можно сделать дифракционную решетку, соскребая области около края зеркала, которые обычно нейтрализуют соседние амплитуды, - но теперь, поскольку фотоны не отражаются от очищенных частей, амплитуды вероятности все это будет указывать, например, на сорок пять градусов, может иметь значительную сумму. Таким образом, это позволяет суммировать свет с правильной частотой с большей амплитудой вероятности и, как таковой, иметь большую вероятность достижения соответствующей конечной точки.

Это конкретное описание включает в себя множество упрощений: точечный источник, «поверхность», от которой может отражаться свет (таким образом, пренебрегая взаимодействием с электронами) и так далее. Самое большое упрощение, возможно, состоит в том, что «вращение» стрелок амплитуды вероятности на самом деле более точно объясняется как «вращение» источника, поскольку амплитуды вероятности фотонов не «вращаются» во время прохождения. Мы получаем такое же изменение амплитуд вероятности, если допустить, что время, в которое фотон покинул источник, быть неопределенным - и время пути теперь говорит нам, когда фотон покинул бы источник, и, следовательно, под каким углом его «стрелка» было бы. Однако эта модель и приближение являются разумными для концептуальной иллюстрации дифракционной решетки. Свет другой частоты также может отражаться от той же дифракционной решетки, но с другой конечной точкой.

Решетки как диспергирующие элементы

Зависимость от длины волны в уравнении решетки показывает, что решетка разделяется падающий полихроматический луч на составляющие его составляющие длины волны, то есть он дисперсионный. Каждая длина волны входного луча спектра направляется в различном направлении, создавая радугу цветов при освещении белым светом. Визуально это похоже на работу призмы , хотя механизм сильно отличается.

Лампа лампочка фонаря фонарика, видимая через пропускающую решетку, демонстрирующая два порядка дифрагирования. Порядок m = 0 соответствует прямому пропусканию света через решетку. В первом положительном порядке (m = +1) цвета с увеличивающейся длиной волны (от синего к красному) дифрагируются под возрастающими углами.

Дифрагированные лучи, соответствующие последовательным порядкам, могут перекрываться, в зависимости от спектрального состава падающего луча. и плотность решетки. Чем выше спектральный порядок, тем больше перекрытие в следующем порядке.

Луч аргонового лазера, состоящий из нескольких цветов (длин волн), падает на кремниевую дифракционную зеркальную решетку и разделяется на несколько лучей, по одному для каждой длины волны. Длины волн (слева направо): 458 нм, 476 нм, 488 нм, 497 нм, 502 нм и 515 нм.

Уравнение решетки показывает, что углы дифрагированных порядков зависят только от периода канавок, и не по их форме. Управляя профилем поперечного сечения канавок, можно сконцентрировать большую часть дифрагированной энергии в определенном порядке для данной длины волны. Обычно используется треугольный профиль. Этот метод называется сверканием. Угол падения и длина волны, при которых дифракция наиболее эффективна, часто называют углом свечения и длиной волны свечения. эффективность решетки может также зависеть от поляризации падающего света. Решетки обычно обозначаются по плотности их канавок, числу канавок на единицу длины, обычно выражаемому в канавках на миллиметр (г / мм), также равному величине, обратной периоду канавок. Период бороздки должен быть порядка интересующей длины волны ; спектральный диапазон, охватываемый решеткой, зависит от расстояния между штрихами и одинаков для линейчатых и голографических решеток с одинаковой постоянной решетки. Максимальная длина волны, которую может дифрагировать решетка, равна удвоенному периоду решетки, и в этом случае падающий и дифрагированный свет находятся под углом девяноста градусов к нормали решетки. Чтобы получить частотную дисперсию на более широкой частоте, необходимо использовать призму . В оптическом режиме, в котором чаще всего используются решетки, это соответствует длинам волн от 100 нм до 10 мкм. В этом случае плотность канавок может варьироваться от нескольких десятков канавок на миллиметр, как в эшелле-решетках, до нескольких тысяч канавок на миллиметр.

Когда расстояние между канавками меньше половины длины волны света, единственным существующим порядком является порядок m = 0. Решетки с такой малой периодичностью называются и обладают особыми оптическими свойствами. Изготовленные из изотропного материала, субволновые решетки вызывают образование двулучепреломления, при котором материал ведет себя так, как если бы он был двулучепреломляющим.

Изготовлением

Первоначально Решетки с высоким разрешением управлялись высококачественными управляющими двигателями, создание которых было большим предприятием. Генри Джозеф Грейсон сконструировал машину для изготовления дифракционных решеток, преуспев в этом с одной из 120 000 линий на дюйм (приблизительно 4724 линии на мм) в 1899 году. Позже фотолитографические методы позволили создать решетки из голографическая интерференционная картина. Голографические решетки имеют синусоидальные канавки и могут быть не такими эффективными, как линейчатые решетки, но часто предпочтительны в монохроматорах, поскольку они излучают меньше рассеянного света. Техника копирования позволяет создавать высококачественные реплики мастер-решеток любого типа, тем самым снижая затраты на изготовление.

В другом способе изготовления дифракционных решеток используется светочувствительный гель, расположенный между двумя подложками. Голографическая интерференционная картина обнажает гель, который позже проявляется. Эти решетки, называемые дифракционными решетками с объемной фазовой голографией (или дифракционными решетками VPH), не имеют физических бороздок, а вместо этого имеют периодическую модуляцию показателя преломления внутри геля. Это устраняет большую часть эффектов поверхностного рассеяния, которые обычно наблюдаются в других типах решеток. Эти решетки также имеют тенденцию иметь более высокий КПД и позволяют включать сложные узоры в единую решетку. В более старых версиях таких решеток, уязвимость к окружающей среде была компромиссом, поскольку гель должен был содержаться при низкой температуре и влажности. Обычно светочувствительные вещества помещаются между двумя подложками, что делает их устойчивыми к влажности, термическим и механическим нагрузкам. Дифракционные решетки VPH не разрушаются при случайном прикосновении и более устойчивы к царапинам, чем обычные рельефные решетки.

Полупроводниковая технология сегодня также используется для травления решеток с голографическим рисунком в прочные материалы, такие как плавленый кварц. Таким образом, голография с низким уровнем рассеянного света сочетается с высокой эффективностью глубоких травленых пропускающих решеток и может быть включена в крупносерийную недорогую технологию производства полупроводников.

Новой технологией вставки решеток в интегральные фотонные световые схемы является цифровая планарная голография (DPH). Решетки DPH генерируются на компьютере и изготавливаются на одном или нескольких интерфейсах планарного оптического волновода с использованием стандартных методов микролитографии или нано-импринтинга, совместимых с массовым производством. Свет распространяется внутри решеток DPH, ограниченный градиентом показателя преломления, что обеспечивает более длинный путь взаимодействия и большую гибкость в управлении светом.

Примеры

Канавки компакт-диска могут действовать как решетка и давать радужные отражения.

Дифракционные решетки часто используются в монохроматорах, спектрометры, лазеры, устройства мультиплексирования с разделением по длине волны, оптические устройства сжатия импульсов и многие другие оптические приборы.

Обычные прессованные носители CD и DVD представляют собой повседневные примеры дифракционных решеток и могут использоваться для демонстрации эффекта, отражая солнечный свет от них на белую стену. Это побочный эффект их изготовления, так как одна поверхность компакт-диска имеет множество небольших ямок в пластике, расположенных по спирали; на эту поверхность нанесен тонкий слой металла, чтобы ямы были более заметны. Структура DVD оптически подобна, хотя он может иметь более одной поверхности с изъязвлениями, и все поверхности с изъязвлениями находятся внутри диска.

Из-за чувствительности к показателю преломления носителя дифракционная решетка может быть

На стандартной прессованной виниловой пластинке , если смотреть под небольшим углом, перпендикулярно канавкам, эффект, аналогичный, но менее выраженному, как на CD / DVD видел. Это связано с углом обзора (меньше критического угла отражения черного винила) и траектории отраженного света из-за того, что канавки меняют его, оставляя за собой радужный рельефный узор.

Дифракционные решетки также используются для равномерного распределения переднего света электронных книг, таких как Nook Simple Touch with GlowLight.

Решетки от электронных компонентов

Дифракция прожектора над мобильным телефоном

Некоторые повседневные электронные компоненты содержат мелкие и правильные узоры и в результате легко служат дифракционными решетками. Например, CCD-датчики от выброшенных мобильных телефонов и фотоаппаратов могут быть удалены с устройства. С помощью лазерной указки дифракция может выявить пространственную структуру датчиков CCD. Это также можно сделать для ЖК-дисплеев или светодиодных дисплеев смартфонов. Поскольку такие дисплеи обычно защищены только прозрачным корпусом, эксперименты можно проводить, не повредив телефоны. Если точные измерения не предназначены, прожектор может выявить дифракционные картины.

Натуральные решетки

A биопленка на поверхности аквариума создает эффект дифракционной решетки, когда все бактерии равномерно распределены по размеру и друг другу. Такие явления являются примером колец Кетле.

поперечно-полосатой мышцы - наиболее часто встречающейся естественной дифракционной решетки, и это помогло физиологам определить структуру такой мышцы. Помимо этого, химическая структура кристаллов может рассматриваться как дифракционные решетки для типов электромагнитного излучения, отличного от видимого света, это основа для таких методов, как рентгеновская кристаллография.

, которую чаще всего путают с дифракционными решетками. переливающиеся цвета павлиньих перьев, перламутровые и крылья бабочки. Радужность у птиц, рыб и насекомых часто вызывается тонкопленочной интерференцией, а не дифракционной решеткой. Дифракция дает полный спектр цветов при изменении угла обзора, тогда как интерференция тонких пленок обычно дает гораздо более узкий диапазон. Поверхности цветов также могут создавать дифракцию, но клеточные структуры растений обычно слишком нерегулярны, чтобы обеспечить мелкую геометрию щелей, необходимую для дифракционной решетки. Таким образом, сигнал радужности цветов заметен только очень локально и, следовательно, невидим для людей и насекомых, посещающих цветы. Тем не менее, естественные решетки встречаются у некоторых беспозвоночных животных, таких как пауки-павлины, усики семенных креветок, и даже были обнаружены в окаменелостях сланца Берджесса.

Дифракция эффекты решетки иногда наблюдаются в метеорологии. Дифракционные короны - это красочные кольца, окружающие источник света, например, солнце. Обычно они наблюдаются гораздо ближе к источнику света, чем гало, и вызваны очень мелкими частицами, такими как капли воды, кристаллы льда или частицы дыма в туманном небе. Когда все частицы почти одинакового размера, они преломляют падающий свет под очень определенными углами. Точный угол зависит от размера частиц. Дифракционные короны обычно наблюдаются вокруг источников света, таких как пламя свечи или уличные фонари, в тумане. Радужность облаков вызвана дифракцией вдоль корональных колец, когда частицы в облаках имеют одинаковый размер.

См. Также

Примечания

Литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-17 05:45:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте