حواجز الحيود
عناصر التشتت البصري · التحليل الطيفي · الليزر · الاتصالات · المصدر: PhotonLab
تعد شبكات الحيود مكونات بصرية رئيسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أجهزة قياس الطيف، وأدوات التحليل الأخرى، والاتصالات، وأنظمة الليزر. تحتوي الشبكة على بنية أخدود دورية مجهرية تعمل على تقسيم الضوء الساقط إلى مسارات شعاع متعددة من خلال الحيود، مما يتسبب في انتشار الضوء بأطوال موجية مختلفة في اتجاهات مختلفة. وهذا يجعل محزوز الحيود مشابهًا وظيفيًا لمنشور التشتت، على الرغم من أن المنشور يفصل الأطوال الموجية عن طريق الانكسار المعتمد على الطول الموجي - بدلاً من الحيود (الشكل 1).
الشكل 1. يفصل المنشور المشتت الأطوال الموجية عن طريق الانكسار (أعلى)، بينما يفصل محزوز الحيود الأطوال الموجية عن طريق الحيود بسبب هيكل سطحه (أسفل).
ينحرف الضوء الساقط على الشبكة وفقًا لمعادلة الشبكة:
هنا،mهو عدد صحيح يصف ترتيب الحيود (أو الطيفي)،λهو الطول الموجي للضوء،dهو التباعد بين الأخاديد على صريف، هي زاوية الإصابة، و هي زاوية حيود الضوء الخارجة من الشبكة. يحدث التداخل البناء لواجهات موجية منحرفة مختلفة عند مضاعفات صحيحة لطول الموجة، ولهذا السبب تظهر "m" في المعادلة (1).mيحدد ترتيب الحيود:mيُطلق على=1 حيود الرتبة الأولى-،m= 2 هو حيود من الرتبة الثانية-، وهكذا (الشكل 2). لوm= 0، ينعكس الضوء مباشرة من الشبكة أو ينتقل من خلالها، اعتمادًا على ما إذا كان انعكاسًا أو شبكة نقل؛ وهذا ما يسمى حيود الترتيب الصفري-. على عكس المنشور المشتت، تكون الأطوال الموجية الأقصر دائمًا أقرب إلى الضوء المنعكس أو المنقول بشكل مباشر-في هذه الحالة، الترتيب 0. يوجد بعض التداخل بين الطلبات المختلفة. يتم قياس جميع الزوايا من الشبكة العادية (متعامدة مع الشبكة).
الشكل 2. ينعكس بعض الضوء مباشرة باعتباره حيودًا من الرتبة 0-، بينما تنحرف أجزاء أخرى من الضوء الساقط إلى زوايا الرتبة الأولى- اعتمادًا على الطول الموجي. يتم فصل الكميات الأصغر إلى ترتيب حيود -الزاوية الثانية- والثالث -الأعلى.
ما يجب مراعاته عند اختيار صريف
عند اختيار الشبكة، من المهم تحديد نطاق الطول الموجي، وطول موجة اللهب (الطول الموجي ذو الكفاءة الأعلى في الطيف المنحرف)، وزاوية اللهب. تصف زاوية التوهج أول-زاوية الحيود لطول موجة التوهج. وفي هذه الزاوية، وفي المعادلة (1)، متساويان، وينحرف الضوء الساقط إلى الاتجاه الذي جاء منه. يُطلق على هذا الشرط أيضًا اسم تكوين Littrow. التشغيل بالقرب من هذه الزاوية يعطي أعلى كفاءة.
عادةً ما يتم تحديد كثافة الأخدود، أو تردد الأخدود. إنه عكس تباعد الأخدودd. الخاصية الرئيسية للنظام البصري هي التشتت، ولكن هذا يعتمد على كل من خصائص الشبكة وكيفية استخدام الشبكة. بدون تفاصيل النظام الأخرى، لا يمكن تعيين قاعدة للشبكة وحدها مثل "دوران معين يتوافق مع فصل معين في الطول الموجي". يمكن أيضًا تحديد قوة تحليل الشبكة، وهي تتعلق بالتحليل الطيفي للنظام. ومع ذلك، يعتمد هذا القرار على كل من الشبكة وفتحات الدخول والخروج للنظام. قوة حل صريفRيعتمد على الترتيب الطيفيmوعدد الأخاديد تحت الإضاءةN:
عادةً ما يتم إضاءة العديد من الأخاديد بحيث تؤدي فتحات الدخول والخروج-وليس الشبكة- إلى الحد من دقة النظام. يمكن أيضًا استخدام منحنيات الكفاءة للتحقق من مستوى الحيود عبر جميع الأطوال الموجية المستخدمة في التطبيق.
يجب أن يكون حجم الشبكة على الأقل بحجم مخروط أو شعاع الضوء الساقط؛ وإلا فسيتم فقدان الضوء من الحواف. لذلك، يجب دائمًا ملء الشبكة بشكل ناقص لمنع الضوء الشارد من الارتداد حول النظام وتوليد إشارات خاطئة.
أنواع الشبكات
شبكات الانعكاس مقابل شبكات النقل
الفئتان الأوسع هما شبكات الانعكاس وشبكات النقل. يوضح الشكلان 1 و2 شبكات الانعكاس: وهي في الأساس مرايا ذات أخاديد مجهرية. جميع الأوامر المنحرفة تنعكس من الشبكة بزوايا مختلفة. تشبه شبكة النقل عدسة ذات أخاديد مجهرية: تمر جميع الأوامر المنحرفة عبر الشبكة، ولكن يتم تعويضها بالزوايا الواردة في المعادلة (1).
حواجز شبكية مسطرة مقابل حواجز شبكية ثلاثية الأبعاد
يمكن تقسيم كل من شبكات الانعكاس وشبكات النقل إلى شبكات مسطرة وشبكات ثلاثية الأبعاد، والتي تختلف في كيفية إنشاء مقاطع الأخدود. في الشبكات المسطرة، يتم نقش الأخاديد ميكانيكيًا أو تقطيعها إلى المكون. في الشبكات الثلاثية الأبعاد، يتم إدخال الأخاديد بصريًا: يتم ترسيب مادة حساسة للضوء تسمى مقاومة الضوء على الركيزة وتعريضها لنمط التداخل البصري. تتم بعد ذلك إزالة مقاوم الضوء المتبقي كيميائيًا، مع ترك نمط الشبك. عادةً ما تحتوي الشبكات المسطحة على أخاديد مثلثة (الشكل 3)، بينما تحتوي الشبكات المجسمة عادةً على أخاديد جيبية (الشكلان 3 و4).
الشكل 3. عادةً ما تحتوي شبكات الحيود المسطرة على أخاديد مثلثة. السهم على صريف: اتجاه الحريق.
الشكل 4. عادةً ما تحتوي شبكات الحيود المجسمة على أخاديد جيبية.
ايشيل جريتس
تتميز الشبكة الشبكية بتباعد أخدود أكبر أو كثافة أخدود أقل من الشبكات العادية-عادةً حوالي 10×، وأحيانًا تصل إلى 100×. تؤدي إضاءة شبكة echelle بزاوية سقوط عالية ( ) إلى تشتت عالي، ودقة عالية، وكفاءة منخفضة تعتمد على الاستقطاب-. تعتبر هذه الشبكات مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية، مثل الأجهزة الفلكية الحساسة والأنظمة التي تسعى إلى تحقيق دقة المستوى - الذري.
شبكات الطائرة مقابل شبكات مقعرة
يمكن أيضًا تقسيم جميع أنواع الشبكات المذكورة أعلاه إلى شبكات شبكية مستوية وشبكات مقعرة، مع وصف شكلها العام. شبكات الطائرة مسطحة وأكثر شيوعًا. إذا كانت الأخاديد مستقيمة ومتباعدة بشكل متساوٍ، وكانت الشبكة مسطحة، وكان الضوء الساقط موازيًا، فإن كل الضوء المنحرف يبقى موازيًا. وهذا مفيد في العديد من التطبيقات لأن خصائص التركيز للنظام تصبح مستقلة عن الطول الموجي. بالمقارنة مع الشبكات المقعرة، فإن الشبكات المستوية عادة ما تقلل من تعقيد النظام. الشبكات المقعرة منحنية، لذا فهي إما تتقارب أو تتباعد الضوء. وهذا مفيد لتقليل العدد الإجمالي للمكونات البصرية في النظام، ولكن خصائص التركيز تعتمد بعد ذلك على الطول الموجي.
تطبيقات صريف
أحادي اللون
يستخدم جهاز أحادي اللون شبكة مقعرة أو مستوية مع المرايا لتحديد نطاق ضيق من الضوء الساقط. إذا دخل مصدر ضوء أبيض- إلى مثل هذا الجهاز، فإنه يقوم بتصفية جميع الأطوال الموجية باستثناء نطاق الإخراج الضيق المقصود. يوضح الشكل 5 كيف يقوم جهاز أحادي اللون بتدوير الشبكة بحيث تمر أطوال موجية مختلفة عبر فتحة الخروج بينما يتم حظر جميع الأطوال الموجية الأخرى.
الشكل 5. يقوم كل من المشبك أحادي اللون المستوي- (أعلى) ووحدة اللون المشبك الأحادي - المقعر (أسفل) بتدوير الشبكة لمسح أوامر الحيود عبر فتحة الخروج وتحديد الأطوال الموجية التي قد تترك الجهاز بدقة.
مطياف
مثل أجهزة قياس اللون الأحادية اللون، تقوم أجهزة قياس الطيف بفصل الأطوال الموجية لمصدر النطاق العريض، ولكنها لا تحتوي على أجزاء متحركة. بدلا من ذلك، يتم تصوير جميع الأطوال الموجية المنفصلة في وقت واحد على صفيف كاشف (الشكل 6). يتم تصوير كل طول موجي على مجموعة مختلفة من البكسلات، مما يسمح للجهاز بتحديد مقدار كل طول موجي موجود في مصدر النطاق العريض. تُستخدم مقاييس الطيف عادة عندما يكون التحليل الطيفي السريع مطلوبًا، لأنه ليست هناك حاجة لمسح الأطوال الموجية عبر الكاشف، مما يوفر الوقت.
الشكل 6. يستخدم كل من مقياس الطيف الشبكي المستوي- (أعلى) ومقياس الطيف الشبكي المقعر- (أسفل) شبكة ثابتة لفصل الأطوال الموجية الواردة إلى وحدات بكسل مختلفة لمصفوفة الكاشف.
ضبط الليزر
هناك عدة طرق لاستخدام محزوز الحيود لضبط الخرج الطيفي لليزر أو تضييق نطاق الخرج. يمكن تدوير الشبكة بحيث يترك الليزر ترتيب حيود محدد فقط؛ يمكن أن تظل الشبكة ثابتة بينما تدور المرآة لتصفية نطاق الإخراج؛ أو يمكن أن يحل المشبك محل مرآة داخل الليزر لتضييق نطاق الإخراج (الشكل 7).
الشكل 7. توضح هذه الإعدادات الثلاثة طرقًا مختلفة لاستخدام الشبكة لضبط الطول الموجي لخرج الليزر أو تضييق نطاق الطول الموجي للخرج.
تمديد نبض الليزر وضغطه وتضخيمه
غالبًا ما تتمتع نبضات الليزر القصيرة، مثل النبضات فائقة السرعة، بقدرة ذروة عالية يمكن أن تلحق الضرر بالطبقات والمكونات البصرية الحساسة. لتجنب ذلك، يتم أحيانًا استخدام زوج من شبكات الحيود لتمديد النبض، مما يزيد من مدته ويقلل من ذروة قدرته. يمكن للنبضة الممتدة بعد ذلك أن تمر عبر مضخم بصري وتكتسب الطاقة دون الإضرار بأي مكونات بصرية. يمكن لزوج شبكي آخر في التكوين العكسي ضغط مدة النبضة بعد التضخيم، مما ينتج عنه نبضة قصيرة وعالية الطاقة عند الهدف (الشكل 8).
الشكل 8. يمكن استخدام الشبكات في أنظمة الليزر النبضي لزيادة مدة النبضة-منع الليزر-الضرر الناجم عن الليزر-ولتقليل مدة النبضة، مما يؤدي إلى إنتاج نبضات عالية القدرة-على الهدف.
