Physique râpage
Les réseaux de diffraction sont utilisés pour disperser la lumière; qui est à la lumière séparés spatialement de différentes longueurs d'onde. Ils ont remplacé les prismes dans la plupart des domaines de l'analyse spectrale.
La fabrication de réseaux de diffraction remonte à la fin du 18e siècle, mais l'utilisation extensive a été limitée par les difficultés dans des réseaux de qualité adéquate au pouvoir jusqu'à ce que Henry Rowland construit au pouvoir moteurs dans la dernière partie du 19ème siècle. Après la production de réseaux de haute qualité a conduit à des avancées significatives dans la spectroscopie analytique. Aujourd'hui, la plupart des réseaux de diffraction sont répliquées de maîtres. Maîtres peuvent être exclues avec un contrôle interférométrique, généré par holographie à l'amélioration possible grâce à la gravure ionique, ou fabriqués avec des techniques plus récentes provenant de la lithographie des semi-conducteurs.
La DIFFRACTION équation
Figure 1: Le motif en dents de scie d'une section de réseau.
Les rayons de lumière A et B, λ la longueur d'onde, incident sur des rainures adjacentes à l'angle I de la grille sont représentées normal. Considérons la lumière à angle D à la grille normale; cette lumière provient des rayons A et B comme ils frappent le réseau. La différence de marche entre les A 1 et B 1 des rayons peut être considérée comme:
un péché I + un péché D
Sommation des rayons A 1 et B 1 se traduit par une interférence constructive si la différence de marche est égale à un multiple entier de la longueur d'onde λ:
un (sin + sin l D) = mλ
Où:
m = un nombre entier, et est l'ordre de diffraction
La DIFFRACTION équation dans la pratique
Quand un faisceau parallèle de lumière monochromatique est incidente sur un réseau de diffraction, la lumière est diffractée depuis le réseau dans des directions correspondant à m = -2, -1, 0, 1, 2, 3, etc. Ceci est montré i. Figure 2. et discuté plus loin sous la rubrique « râper ordre ».
Quand un faisceau parallèle de lumière polychromatique incidente sur un réseau de diffraction alors que la lumière est dispersée de telle sorte que chaque longueur d'onde satisfait à l'équation réseau de diffraction. Ceci est illustré à la figure 3.
Figure 2: Le « Grating équation » satisfait pour un faisceau parallèle de lumière monochromatique.
Dans la plupart des monochromateurs. la fente d'entrée et un miroir de collimation fixer la direction du faisceau d'entrée qui frappe le réseau de diffraction. Le miroir de focalisation et fente de sortie fixer la direction de sortie. Seules les longueurs d'onde qui satisfont l'équation grille passent à travers la fente de sortie. Le reste de la lumière est dispersée et absorbée dans le monochromateur. Comme le réseau de diffraction est mis en rotation, les angles I et de changement D, bien que la différence entre les deux reste constante et est fixée par la géométrie du monochromateur. Une forme plus commode de l'équation de réseau pour une utilisation avec monochromateurs est:
mλ = 2 x. x cos φ sin θ x
Où:
φ = moitié de l'angle compris entre le rayon incident et le rayon diffracté à la grille
θ = angle du réseau par rapport à la position d'ordre zéro
Ces termes sont liés à l'angle d'incidence I et angle diffracté D par:
I = θ + φ et D = θ - φ
DIFFRACTION ordre
Il est important de noter le signe de « m » est donnée par les deux formes de l'équation réseau et peut être positif ou négatif. Dans un monochromateur, les angles I et D sont déterminées par la position de rotation du réseau de diffraction. Nous utilisons la convention de signe que tous les angles qui sont dans le sens antihoraire de la normale grille sont positifs, et tous les angles qui sont dans le sens horaire à la grille sont négatifs. Voir Figure 4. La lumière incidente, la lumière diffractée et rotation réseau peut être à des angles positifs ou négatifs en fonction de quel côté du réseau, ils sont normaux. Le demi-angle est toujours considéré comme positif.
Figure 4: La convention de signe pour l'angle d'incidence, angle de diffraction et de l'angle de réseau.
L'équation réseau est satisfaite aussi pour des longueurs d'onde dans des ordres supérieurs, lorsque | m | est> 1. Par conséquent λ2 = λ1 / 2 pour m = ± 2, λ3 = λ1 / 3 pour m = ± 3, etc. La longueur d'onde λ2 est de second ordre et λ3 est dans le troisième ordre, etc. Ce concept est illustré dans Figure 3.
Blaze Wavelength
Si une lumière monochromatique frappe une grille puis une fraction de celui-ci est diffractée dans chaque commande. La fraction diffractée dans un ordre quelconque peut être appelé l'efficacité du réseau de diffraction dans cet ordre. Tous Oriel Grillages sont conçus pour la diffraction efficace dans le premier ordre. Grillages ne sont pas aussi « efficace » à toutes les longueurs d'onde pour diverses raisons détaillées. L'efficacité peut être « réglé » en changeant les angles facettes de rainures, ou de la forme et de la profondeur. L'optimisation de l'efficacité par la mise en forme de rainure appropriée est connu comme flamboyant. Le « Blaze Wavelength » est la longueur d'onde pour laquelle le réseau blazé est la plus efficace. La figure 5 montre une efficacité typique par rapport à la courbe de longueur d'onde pour un exclu et un réseau holographique blazé.
Figure 5: L'efficacité d'un exclu et un réseau holographique blazé, ont tous deux de 1200 l / mm.
holographiques Grillages
réseaux holographiques sont créés en utilisant un motif interférométrique sinusoïdale et parfois un processus de gravure. grilles sinusoïde rainurés produisent très peu de lumière diffusée, mais ont de faibles, courbes d'efficacité plat, même si elles sont en général assez large. réseaux holographiques Blazed utilisent la gravure au cours du processus interférométrique, ou un canon à ions pour former un angle de blaze dans un procédé secondaire. Le premier ne produisent pas de flambage forte, et tandis que celle-ci produit des rendements élevés à des longueurs d'onde de blaze, diffusion de la lumière est augmentée en raison de la formation de la structure micro long des bords des rainures. Newport propose des règel et des réseaux holographiques pour fournir la meilleure combinaison de blaze, l'efficacité, et une faible diffusion de la lumière pour les gammes de longueurs d'onde différentes.
Tableau 1 demi-Angles et ordonnances pour monochromateurs Oriel
Où:
δλ = Résolution
W = Illumination largeur de la grille.
Normalement, les plus petites fentes disponibles et les aberrations optiques, plutôt que le réseau, déterminer la résolution possible. Pour la 77.700 à λ = 500 nm, avec un réseau de 1 200 l / mm R est un réseau de diffraction avec 60.000 entièrement éclairée. Sur cette base, δλ est 0,008 nm. Avec 25 um fentes du produit de l'slitwidth et la dispersion linéaire réciproque est de 0,09 nm, qui est proche de la valeur mesurée de 0,1 nm, et R = 5000 au lieu de 60000. Si toutefois, seulement quelques millimètres du réseau de diffraction sont illuminés, comme cela est parfois le cas avec les sources laser incorrectement couplé au monochromateur, la résolution de réseau peut élargir les largeurs de bande mesurées. Par exemple, si un laser illumine seulement 2 mm de la largeur de réseau, la bande passante mesurée est de 0,2 nm, même pour un laser à bande très étroite.
Très courte impulsion laser (ps) n'éclairer une petite partie du réseau à tout instant. La résolution est dégradée en accord avec le principe d'incertitude de Heisenberg.
dispersion Double
Si deux monochromateurs sont utilisés en tandem, puis la dispersion linéaire inverse de la combinaison est la moitié de celle d'un seul monochromateur. Pour deux monochromateurs 77700 en série, la dispersion linéaire réciproque est de 1,6 nm / mm à 500 nm pour un réseau de 1 200 l / mm. La bande passante de la combinaison est la moitié de celle des monochromateurs simples pour les mêmes fentes, à l'exception des largeurs de fentes très étroites. Pratiquement, pour deux monochromateurs 77700 disposées comme un double monochromateur, la bande passante est de l'ordre de 0,07 nm à 10 um fentes (1200 grilles l / mm).
Lumière Stray
Le faisceau de sortie à partir d'un monochromateur typique devrait être monochromatique, mais contient habituellement la lumière non souhaitée d'autres longueurs d'onde. Les filtres peuvent être utilisés pour bloquer des longueurs d'onde plus élevées diffracté d'ordre. Autre lumière indésirable, appelé la lumière parasite, a plusieurs origines et devrait être réduite au minimum. Habituellement, une partie de cette lumière parasite, appelé spectre rentrante, est due à la lumière diffractée étant dirigé vers l'entrée, ou collimation miroir de focalisation, et de retour vers le réseau de diffraction. La lumière peut également être réfléchi par un détecteur de plan focal, tel qu'un réseau de diodes de nouveau dans un spectrographe et de même causer des spectres rentrante. Le Ebert-Fastie Sur la conception de l'avion utilisé dans le 77250 Monochromateur n'a pas de spectres rentrante, ni ne le 77700 monochromateur. Les spectres rentrante sont absorbés sur des chicanes et en inclinant le détecteur dans le 77400 spectrographe. Pour une amélioration importante du signal / parasite rapport clair, utiliser un double monochromateur.