Grating Physik
Beugungsgitter verwendet werden, um zu zerstreuen Licht; das heißt, um räumlich getrenntes Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Sie haben ersetzt Prismen in den meisten Bereichen der Spektralanalyse.
Die Herstellung von Beugungsgittern stammt aus dem Ende des 18. Jahrhunderts jedoch umfangreiche Verwendung wurde in den herrschenden Gitter adäquater Qualität durch die Schwierigkeiten begrenzt, bis Henry Rowland in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts herrschenden Motoren gebaut. Die anschließende Herstellung von qualitativ hochwertigen Gittern führte zu bedeutenden Fortschritten in der analytischen Spektroskopie. Heute sind die meisten Beugungsgitter von Meister repliziert. Master kann mit interferometrischen Steuerung erzeugte holographisch mit möglicher Verstärkung durch Ionenätzen oder hergestellt mit neueren Techniken aus dem Halbleiterlithographie abgeleitet ausgeschlossen werden.
Das Beugungsgitter Gleichung
Abbildung 1: Das Sägezahnmuster eines Gitterabschnitts.
Lichtstrahlen A und B, mit der Wellenlänge λ, fällt auf benachbarte Rillen unter einem Winkel I in den Gitternormalen gezeigt. Betrachten Licht unter einem Winkel D zu dem Gitter normal; Dieses Licht stammt von den A- und B-Strahlen, wie sie das Gitter schlagen. Die Wegdifferenz zwischen den A 1 und B 1-Strahlen können zu sehen ist:
a sin I + a sin D
Summieren der Strahlen A 1 und B 1 führt zu konstruktiver Interferenz, wenn die Wegdifferenz zu jedem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ ist gleich:
a (sin sin L + D) = m & lgr;
Woher:
m = eine ganze Zahl, und die Ordnung des Beugungs
Die Diffraction Grating Gleichung in der Praxis
Wenn ein paralleler Strahl von monochromatischem Licht fällt auf einem Gitter, das Licht von dem Gitter in Richtungen gebeugt zu m entsprechenden = -2, -1, 0, 1, 2, 3, etc. Dies ist i gezeigt. Abbildung 2 und im Abschnitt „Grating Order“ diskutiert.
Wenn ein Parallelstrahl aus polychromatischem Licht fällt auf ein Gitter dann wird das Licht dispergiert, so daß jede Wellenlänge die Beugungsgittergleichung erfüllt. Dies wird in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 2: Die „Grating Equation“ erfüllt für einen parallelen Strahl von monochromatischem Licht.
In den meisten Monochromatoren. der Eingangsschlitz und Kollimatorspiegel fixieren die Richtung des Eingangsstrahls, der die Gitter auftrifft. Der Fokussierspiegel und Austrittsspalt fixieren die Ausgaberichtung. Nur Wellenlängen, die die Gittergleichung erfüllen durch den Ausgangsschlitz übergeben. Der Rest des Lichts wird gestreut und innerhalb des Monochromators absorbiert. Wenn das Gitter gedreht wird, die Winkel I und D zu ändern, auch wenn der Unterschied zwischen ihnen konstant bleibt, und wird durch die Geometrie des Monochromators fixiert. Eine bequemere Form der Gittergleichung für die Verwendung mit Monochromatoren ist:
m & lgr; = 2 x. x cos φ x sin θ
Woher:
Halb φ = der eingeschlossene Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem gebeugten Strahl auf dem Gitter
θ = Grating Winkel relativ zu der nullten Ordnung Position
Diese Begriffe werden auf den Einfallswinkel bezogen I und Winkel D gebeugt durch:
I = θ + φ und D = θ - φ
Diffraction Grating Bestellen
Es ist wichtig, die Zeichen von „m“ zu beachten, von jeder Form der Gittergleichung gegeben ist und kann positiv oder negativ sein. In einem Monochromator, werden die Winkel I und D von der Drehposition des Gitters bestimmt. Wir verwenden die Zeichenkonvention, dass alle Winkel, die gegen den Uhrzeigersinn von dem Gitter normal sind positiv, und alle Winkel, die auf das Gitter im Uhrzeigersinn sind negativ. Siehe Abbildung 4. Das einfallende Licht, gebeugtes Licht und Gitterdrehung können bei positivem oder negativem Winkel sein, je nachdem, welcher Seite der Gitternormalen sie sind. Der Halbwinkel wird immer als positiv betrachtet.
Abbildung 4: Die Vorzeichenkonvention für den Einfallswinkel, der Beugungswinkel und die Gitterwinkel.
Die Gittergleichung ist auch für Wellenlängen in höheren Ordnungen erfüllt, wenn | m | > 1 ist. Daher λ2 = λ1 / 2 für m = ± 2, λ3 = λ1 / 3 für m = ± 3 usw. Die Wellenlänge λ2 ist, in der zweiten Ordnung und λ3 ist in der dritten Ordnung, usw. Auch hier wird dieses Konzept veranschaulicht in Abbildung 3.
Blaze-Wellenlänge
Wenn monochromatisches Licht ein Gitter trifft dann auf einem Bruchteil davon ist in jede Ordnung gebeugt. Die Fraktion, in beliebiger Reihenfolge gebeugte kann die Effizienz des Gitters in dieser Reihenfolge bezeichnet werden. Alle Oriel Roste sind für eine effiziente Beugung in erster Ordnung ausgelegt. Roste sind nicht gleich „effizient“ bei allen Wellenlängen für eine Vielzahl von detaillierten Gründen. Die Effizienz kann „abgestimmt“ werden durch die Nut Facettenwinkel zu ändern, oder die Form und Tiefe. Die Optimierung des Wirkungsgrades durch entsprechende Formgebung Nut hat als prallen bekannt werden. Die „Blaze-Wellenlänge“ ist die Wellenlänge, für die das Blaze-Gitter ist am effizientesten. Abbildung 5 zeigt eine typische Effizienz gegenüber der Wellenlänge für eine Kurve entschieden, und ein Blaze-holographisches Gitter.
Abbildung 5: Die Effizienz eines ausgeschlossen und ein Blaze-holographisches Gitter, beide haben 1200 l / mm.
holographische Gitter
Holographische Gitter werden unter Verwendung eines sinusförmigen interferometrische Muster erstellt und manchmal einen Ätzprozess. Sinus gerillten Gittern produzieren sehr wenig Streulicht, haben aber niedrige, flache Effizienzkurven, obwohl sie in der Regel ziemlich breit sind. Blazed holographische Gitter verwenden Ätzen während des interferometrischen Verfahrens oder eine Ionenkanone einen Blaze-Winkel in einem Sekundärprozess zu bilden. Der erstere erzeugt keine starken Blazing, und während die letztere hohe Wirkungsgrade bei der Blaze-Wellenlängen erzeugt, wird die Lichtstreuung durch entlang der Kanten der Nuten zur Bildung von Mikrostruktur erhöht. Newport bietet sowohl ausgeschlossen und holographische Gitter die beste Kombination aus blaze, Effizienz und geringer Lichtstreuung für unterschiedliche Wellenlängenbereiche zu schaffen.
Tabelle 1 Halb Angles und Bestellungen für Oriel Monochromatoren
Woher:
δλ = Auflösung
W = Leuchtweite des Gitters.
Normalerweise werden die kleinsten Schlitz vorhanden und optische Aberrationen, anstatt das Gitter, bestimmen die erreichbare Auflösung. Für die 77700 bei λ = 500 nm, mit einem 1200 l / mm-Gitter R ist 60000 mit einem voll beleuchteten Gitter. Auf dieser Basis ist δλ 0.008 nm. Mit 25 & mgr; m Schlitze das Produkt aus Spaltbreite und reziproke lineare Dispersion beträgt 0,09 nm, die auf den gemessenen Wert von 0,1 nm nahe ist und R = 5000 anstelle von 60000. Wenn jedoch nur ein paar mm des Gitters beleuchtet sind, wie es manchmal der Fall bei Laserquellen falsch auf den Monochromator gekoppelt ist, kann die Gitterauflösung der Messbandbreiten erweitern. Wenn beispielsweise ein Laser nur 2 mm von der Rostbreite beleuchtet, wird die gemessene Bandbreite 0,2 nm sein, selbst für einen sehr schmalbandigen Laser.
Sehr kurzer Impuls (PS) Laser wird nur einen kleinen Teil des Gitters zu jedem Zeitpunkt beleuchten. Die Auflösung wird in Übereinstimmung mit Heisenbergs Unschärfeprinzip abgebaut.
Doppel Dispersion
Wenn zwei Monochromatoren in Tandem verwendet werden, dann ist die reziproke lineare Dispersion der Kombination ist, daß die Hälfte eines einzelnen Monochromators. Für zwei Monochromatoren 77700 in der Reihe, ist die reziproke lineare Dispersion 1,6 nm / mm bei 500 nm für ein 1200 l / mm Gitter. Der Bandpass der Kombination ist, daß die Hälfte der einzelnen Monochromatoren für die gleiche Schlitze, außer bei sehr schmalen Spaltbreiten. Praktisch für zwei Monochromatoren 77700 als Doppel-Monochromator angeordnet ist, ist das Bandpass rund 0,07 nm mit 10 & mgr; m Schlitzen (1200 l / mm-Gitter).
Streulicht
Der Austrittsstrahl von einem Monochromator typischen monochromatisch sein sollte aber in der Regel enthält unerwünschtes Licht anderer Wellenlängen. Filter können zum Block höherer Ordnung gebeugten Wellenlängen verwendet werden. Andere unerwünschte Licht, die so genannte Streulicht, hat mehrere Ursachen und sollte minimiert werden. Üblicherweise wird ein Teil dieser unerwünschten Lichts, einspringenden Spektren genannt wird, ist aufgrund der gebeugte Licht auf den Eingang, kollimierende gerichtet ist oder Fokussierspiegel, und zurück in Richtung des Gitters ist. Licht kann auch einen Brennebenendetektor wie beispielsweise einen Diodenarray zurück in einen Spektrographen und in ähnlicher Weise bewirken einspringenden Spektren reflektiert werden. Die Ebert-Fastie Außerhalb Ebene Design im Monochromator 77250 verwendet wird, hat keine einspringenden Spektren, ebenso wenig wie die 77700 Monochromator. Einspringenden Spektren werden auf Leitblechen aufgenommen und durch den Detektor in dem 77400 Spektrograph kippen. Für eine große Verbesserung des Signal / Streulichtverhältnis, verwenden Sie einen Doppelmonochromators.