Дифракционная решетка: как это работает
21 марта 2019
Ростех
Изучение одного из самых распространенных физических явлений – дифракции – привело к возникновению такого устройства, как дифракционная решетка.
Фото: РостехРостех
В России крупнейший производитель дифракционной оптики – «Швабе» Госкорпорации Ростех. Дифракционные решетки холдинга сегодня функционируют во многих оптических приборах, и не только у нас в стране, но и за рубежом.
Видео дня
Дифракционная решетка: как увидеть радугу
Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.
У электромагнитных волн, составляющих свет, разный эффект интерференции, или по-простому способности огибать препятствия.
Проходя через дифракционную решетку, световые волны огибают препятствия решетки (штрихи, щели или выступы) с разным углом отклонения. Для каждой длины волны существует свой угол дифракции, и белый свет раскладывается штрихами решетки в спектр, то есть в радугу. Кстати, эффект радуги основан на таком же принципе, только в роли решетки – капельки воды.
В природе можно обнаружить и множество других естественных дифракционных решеток. Примером грубой дифракционной решетки можно считать ресницы. Смотря на свет сквозь прищуренные веки, можно в какой-то момент увидеть спектральные линии. А физик Джеймс Грегори, который впервые применил дифракционную решетку, использовал в этом качестве птичье перо. Благодаря очень тонкой структуре через перо можно пропустить солнечный свет и увидеть его разложение на спектр.
Изготовление: 3600 штрихов на миллиметр
Сегодня дифракционную решетку можно сделать самому из более современных материалов, например DVD-диска. Шаг между штрихами такой решетки составляет 0,74 мкм. Это намного более впечатляющий результат по сравнению с самой первой искусственной дифракционной решеткой в мире, которая появилась в 1875 году: она состояла из 50 натянутых волосков с расстоянием между ними в 250 мкм.
Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.
Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей. При выполнении лабораторных работ чаще используют этот вид решеток.
Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины. Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения. Вышеупомянутый DVD-диск – яркий пример этого вида дифракционной решетки: расположив его перед глазом, можно найти на нем спектр.
Практическое применение: от ДНК до далекой звезды
Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках.
Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа – самого распространенного метода определения структуры вещества. Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей. То есть в данном случае дифракционная решетка используется не для определения длины волны света, а для обратной задачи – нахождения по длине волны постоянной решетки (расстояния между штрихами).
В настоящее время широко используют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем. Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. В свое время этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, как каучук, целлюлоза, многие полиамиды и т.д. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик установили структуру молекулы ДНК (двойная спираль), за что и были удостоены в 1962 году Нобелевской премии.
Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии. Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.
Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) холдинга «Швабе» – крупнейший производитель дифракционной оптики в России – поставляет для этих целей решетки и за рубеж. Только за прошлый год было поставлено более 400 изделий в Германию, Ирландию, Норвегию, Словакию и другие страны.
Дифракционная решетка шагнула и далеко за пределы Земли. С ее помощью, например, можно узнать химический состав далеких звезд. Свет, идущий от звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Таким образом можно узнать все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.
Другое,Джеймс Грегори,Джеймс Уотсон,Швабе,Ростех,
Дифракционная решетка – формула, параметры, применение устройств и классификация кратко (11 класс)
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 117.
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 117.
Поскольку свет представляет собой волновое явление, ему присущи все свойства волны и в частности дифракция. Для использования дифракции в научных целях применяется специальный прибор, называемый дифракционной решеткой. Рассмотрим принцип его действия, приведем формулу дифракционной решетки.
Явление дифракции
Как известно из курса физики в 11 классе, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну достаточно короткой длины. Любая волна способна огибать небольшие препятствия, после чего направление распространения волны меняется. Это изменение направления и называется дифракцией.
Механическую дифракцию можно наблюдать, если создавать волны на водной поверхности, а на их пути поставить препятствие с отверстием. Если отверстие будет велико, волны пройдут через него, не меняя направления. Однако, если отверстие будет небольшим, волны за отверстием будут расходиться во все стороны, и фронт волны будет иметь вид полукруга.
То же самое происходит с волной света, прошедшей сквозь маленькое отверстие или тонкую щель. Если щелей будет несколько, то расходящиеся в результате дифракции волны начнут смешиваться друг с другом, и за такими щелями возникнет интерференционная картина светлых и темных полос (напомним, интерференцией называется смешение нескольких волн в одной точке).
Дифракционная решетка
Описанное явление применяется в специальном оптическом приборе, который называется дифракционной решеткой. Классификация дифракционных решеток включает прозрачные и отражающие решетки. Прозрачные представляют собой совокупность большого числа параллельных близко расположенных щелей. Отражающие решетки состоят из отражающих участков. Как правило, число щелей или отражающих участков на 1 мм достигает нескольких тысяч. Важнейшим параметром дифракционной решетки является шаг $d$, равный расстоянию между центрами соседних щелей или отражающих участков и имеющий порядок, как правило, от единиц до полутора-двух десятков микрометров.
Для расчета угла, под которым наблюдаются максимумы интерференционной картины спектров порядка $k = 0,1,2…$, используется формула:
$$d sin \varphi = \pm k\lambda$$
Лучи, прошедшие сквозь дифракционную решетку, собираются линзой на экране. Поскольку угол отклонения зависит от длины волны, то максимумы для различных волн располагаются на различном расстоянии, а белый свет разлагается в спектр. При этом играет роль точность изготовления и разрешение решетки – чем они выше, тем более близкие спектральные линии можно различить.
Дифракционные решетки находят применение при точных измерениях длины волны либо при выделении из сложной смеси излучения основной длины волны. Кроме того, зависимость расположения максимумов дифракционной картины от угла отклонения позволяет использовать дифракционные решетки в специальных устройствах для измерения малых линейных и угловых смещений.
Цветную картину разложения белого света в спектр в результате дифракции можно наблюдать на крыльях некоторых бабочек. Эти узоры образованы мельчайшими чешуйками, размерами сравнимыми с длиной волны света. Сами чешуйки у многих видов практически бесцветны. Получающийся узор полностью определяется дифракцией света, отраженного от чешуек. По сути, такие крылья являются природной отражательной дифракционной решеткой.
Что мы узнали?
Дифракционная решетка — это специальный оптический прибор, представляющий собой ряд штрихов, задерживающих световой поток. Дифракционная решетка может быть прозрачной или отражающей. Дифракционные решетки используются для разложения света в спектр, для измерения длин световых волн, а также для измерения линейных и угловых смещений.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.8
Средняя оценка: 4.8
Всего получено оценок: 117.
А какая ваша оценка?
дифракционный — определение и значение
- Определение
- Связать
- Список
- Обсудить
- См.
- Услышать
- и Любовь
Определения
из словаря века.
- Относящийся к дифракции; вызывая дифракцию.
из версии GNU Collaborative International Dictionary of English.
- прилагательное Вызывает дифракцию.
- прилагательное
Этимологии
Извините, этимологии не найдено.
Служба поддержки
Помогите поддержать Wordnik (и сделайте эту страницу свободной от рекламы), приняв слово «дифракционный».
Примеры
Моя работа в этот период тяготела к теории высокоэнергетических столкновений, поскольку эксперименты начали обнаруживать многие результаты, предсказанные моей дифракционной теорией многократного рассеяния.
Рой Дж. Глаубер — Автобиография
Интересно, что лазеры и компьютеры вернули голограммы, близкие к первоначальному приложению Габора, предоставив общие оптические элементы, голографические решетки, голографические рентгеновские линзы, гибрид дифракционная оптика , оптическое распознавание образов и многое другое.
Революционный подход Липпмана и Габора к визуализации
Предложение было представлено в NSF, который отправил его на рассмотрение Иммануэлю Эстерманну, соавтору со Стерном и Фришем знаменательной статьи о дифракционном рассеянии водорода от LiF, одной из двух статей, процитированных, когда Стерн выиграл
Джон Б. Фенн — Автобиография
Великолепное солнечное сияние из-за дифракционных эффектов на свет паров и мелкой пыли, выбрасываемых в огромных количествах в воздух и быстро распространяющихся по всему земному шару, предвещало атмосферное состояние из всех других, наиболее неблагоприятное для тонких исследований в солнечная окрестность.
Популярная история астрономии девятнадцатого века, четвертое издание
Премия Лаланда демонстрирует не дифракционный , а призматический спектр, полученный с бисульфидными углеродными призмами с большой рассеивающей способностью.
Популярная история астрономии девятнадцатого века, четвертое издание
Решетки Резерфорда и Роуленда имеют машинное управление и отражают, а не пропускают анализируемые ими лучи; но Роуленд подарил им гораздо больший дифракционный
Популярная история астрономии девятнадцатого века, четвертое издание
Эти дифракционных спектров были исследованы с большим мастерством Дрейпером и Лэнгли.
Шесть лекций о свете, прочитанных в Соединенных Штатах в 1872–1873 годах
Ball Aerospace постепенно демонстрирует технологии, необходимые для разработки большого и легкого геостационарного космического телескопа с использованием передовых 9 технологий.0063 дифракционная оптическая мембрана для обеспечения непрерывного тактического видео в реальном времени для военного истребителя.
Прогнозные заявления связаны с рисками и неопределенностями, которые могут привести к значительному отличию фактических результатов от прогнозируемых, особенно в отношении функций, характеристик и преимуществ специального дифракционного оптического элемента корпорации DigitalOptics , используемого в MagicCube компании DigitalOptics, а также дизайна и изготовление оптики от идеи до серийного производства.
Группа также предлагает специализированные микрооптические линзы от дифракционных и преломляющих оптических элементов до интегрированных микрооптических узлов.
Дифракционная оптика – Фотоника RPC
Центросимметрия означает, что если I(m,n) представляет интенсивность в порядке дифракции (m,n), то
I(-m,-n) = I(m,n)
Если узор или матрица пятен, которые должны быть созданы, имеют центросимметрию, то они могут быть изготовлены с бинарной фазовой маской, в противном случае они должны быть непрерывными.
Например, мы можем использовать бинарный элемент для создания квадратного диффузора, но не треугольного диффузора.
RPC Photonics также производит аналоговые дифракционные элементы с непрерывной фазой.
Непрерывные элементы достигают эффективности более 90% (без учета поверхностных потерь) и позволяют производить более общие модели.
Дифракционные элементы обычно работают при коллимированном когерентном освещении в показанной ниже геометрии с дополнительной фокусирующей линзой.
Типичная задача заключается в расчете структуры поверхности дифракционного элемента при заданном желаемом распределении интенсивности в плоскости изображения.
Компания RPC Photonics разработала строгие правила проектирования и моделирования, которые оптимизируют дифракционный элемент, обеспечивая максимальную производительность для конкретного метода производства.
Вот некоторые дифракционные элементы, которые RPC Photonics разрабатывает и производит:
- Дифракционные линзы
- Светоделители (точечные массивы)
- Дифракционные рассеиватели
- Корректирующие пластины
Дифракционные линзы
Дифракционные линзы можно использовать для уменьшения количества элементов в обычных системах линз и устранения необходимости использования экзотических материалов для коррекции хроматических аберраций.
Дифракционные линзы представляют собой очень тонкие элементы с общей глубиной высоты, равной λ/(n – 1), где λ – рабочая длина волны, а n – показатель преломления. Дифракционная линза состоит из ряда зон, которые становятся более тонкими к краю линзы.
Как правило, дифракционные элементы лучше всего работают на одной длине волны. При любой другой длине волны эффективность и контрастность изображения снижаются.
Однако для приложений, где имеется определенное количество дискретных длин волн, 2, 3, …, можно разработать дифракционную линзу, которая показывает 100% теоретическую эффективность на каждой из этих длин волн. Мы называем эту конкретную конструкцию линзой «MOD», что означает «дифракционная линза с несколькими порядками».
Линза MOD* немного глубже обычной дифракционной линзы на целый коэффициент p. При этом размер зоны увеличивается.
* Полезные ссылки на линзы MOD:
- Факлис Д. и Моррис Г. М., «Спектральные свойства дифракционных линз нескольких порядков», Appl. Опц. 34, 2462 (1995).
- Д. Факлис и Г. М. Моррис, патент США № 5,589,982
Расщепители луча (массивы точек)
Обычно дифракционный элемент используется для разделения лазерного луча на массив точек. В этом случае обычно коллимированный пучок, падающий на элемент, разделяется на массив, либо 1D, либо 2D.
Дифракционный элемент, создающий светоделитель, в основном представляет собой решетку сложной формы, создающую желаемое распределение пятен.
Существует два основных подхода к созданию дифракционного светоделителя: бинарное и аналоговое решения.
Бинарное решение является одним из наиболее распространенных и полезных подходов к созданию светоделителя, если желаемое распределение пятна является центросимметричным.
Вот пример массива точек 25×5, иллюстрирующий некоторые основные особенности бинарных схем.
Аналоговые проектные решения могут достигать теоретической эффективности выше 90%, но требуют более сложных технологий производства.
Компания RPC Photonics разработала модели проектирования и анализа для создания и оценки решений для дифракционных элементов в целом и светоделителей в частности. Мы также можем производить эти элементы в двоичном или аналоговом формате.
Для производства аналоговых дифракционных изображений мы используем нашу технику лазерной записи для создания непрерывно меняющейся поверхности, которая обеспечивает желаемое распределение пятен.
В приведенном ниже примере показана часть рисунка поверхности, на которую выступает стрелка.
Дифракционные рассеиватели
Дифракционные элементы также могут использоваться в качестве рассеивателей для обеспечения контролируемого освещения в некоторых специализированных приложениях, таких как системы литографического освещения.
Основным преимуществом дифракционных диффузоров по сравнению с рефракционными, такими как наши Engineered Diffusers™, является резкое падение интенсивности, которое равно ширине дифракционно-ограниченного пятна, соответствующего размеру падающего луча на рабочей длине волны.
Дифракционные рассеиватели могут быть реализованы с бинарными или аналоговыми фазовыми функциями с эффективностью около 80% и 90-95% соответственно.
Дифракционный круглый рассеиватель с бинарной фазовой функцией.
Этот пример иллюстрирует распространенную проблему с дифракционными диффузорами: нулевой порядок. Этот диффузор освещается гелий-неоновым лазером, но его фазовая глубина не совсем подходит для этого источника. В результате нулевой порядок ярче остальных порядков.
Другое Примеры распределения света, генерируемого дифракционными рассеивателями с бинарной фазовой функцией.
Аналоговые фазовые функции также могут использоваться для более высокой эффективности и меньшей чувствительности к ошибкам глубины, что минимизирует нулевой порядок, если углы рассеяния малы.
Пластины-корректоры
В некоторых случаях требуется определенный волновой фронт в какой-то точке оптической системы, но по какой-то причине фактический волновой фронт не имеет желаемой формы.
Если отклонение волнового фронта от идеального является постоянным и воспроизводимым, можно использовать корректирующую пластину для коррекции волнового фронта путем создания соответствующей фазовой задержки в различных точках апертуры для получения желаемого волнового фронта.