Дифракційна решітка. Принцип дії дифракційної решітки

Дифракційна решітка. Принцип дії дифракційної решітки

Не секрет, що поряд з відчутною матерією нас оточують і хвильові поля зі своїми процесами і законами. Це можуть бути і електромагнітні, і звукові, і світлові коливання, які нерозривно пов 'язані з видимим світом, взаємодіють з ним і впливають на нього. Такі процеси і впливи здавна вивчалися різними вченими, які вивели основні закони, актуальні й донині. Однією з широко застосовуваних форм взаємодії матерії і хвилі є дифракція, вивчення якої призвело до виникнення такого пристрою, як дифракційна решітка, що отримав широке застосування і в приладах для подальшого дослідження хвильового випромінювання, і в побуті.

Поняття дифракції

Дифракцією називають процес огинання світловими, звуковими та іншими хвилями будь-якої перешкоди, що зустрілася на їхньому шляху. Більш узагальнено цим терміном можна назвати будь-яке відхилення поширення хвиль від законів геометричної оптики, що відбувається поблизу перешкод. За рахунок явища дифракції хвилі потрапляють в область геометричної тіні, огинають перешкоди, проникають крізь маленькі отвори в екранах та інше. Наприклад, можна добре почути звук, перебуваючи за рогом будинку, в результаті того, що звукова хвиля огинає його. Дифракція світлових променів проявляється в тому, що область тіні не відповідає пропускному отвору або наявній перешкоді. Саме на цьому явищі заснований принцип дії дифракційної решітки. Тому дослідження даних понять невіддільне один від одного.

Поняття дифракційної решітки

Дифракційна решітка є оптичним виробом, що являє собою періодичну структуру, що складається з великого числа дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками.

Інший варіант цього пристрою - сукупність паралельних мікроскопічних штрихів, що мають однакову форму, нанесених на увігнуту або плоску оптичну поверхню з однаковим заданим кроком. При падінні на грати світлових хвиль відбувається процес перерозподілу хвильового фронту в просторі, що обумовлено явищем дифракції. Тобто біле світло розкладається на окремі хвилі, що мають різну довжину, що залежить від спектральних характеристик дифракційної решітки. Найчастіше для роботи з видимим діапазоном спектру (з довжиною хвиль 390-780 нм) використовують пристрої, що мають від 300 до 1600 штрихів на один міліметр. На практиці решітка виглядає як плоска скляна або металева поверхня з нанесеними з певним інтервалом шорсткими борознями (штрихами), що не пропускають світло. За допомогою скляних решіток спостереження ведуть і в тому, що проходить, і у відображеному світлі, за допомогою металевих - тільки у відображеному.

Види решіток

Як вже було сказано, за застосовуваним при виготовленні матеріалу і особливостями використання виділяють дифракційні решітки відбивальні і прозорі. До перших належать пристрої, що представляють собою металеву дзеркальну поверхню з нанесеними штрихами, які застосовують для спостережень у відображеному світлі. У прозорих решітках штрихи наносять на спеціальну оптичну, пропускаючу промені поверхню (плоску або увігнуту), або ж вирізаються вузькі щілини в непрозорому матеріалі. Дослідження при застосуванні таких пристроїв проводять у світлі, що проходить. Прикладом грубої дифракційної решітки в природі можна вважати ресниці. Дивлячись крізь прищурені повіки, можна в якийсь момент побачити спектральні лінії.

Принцип дії

Робота дифракційної решітки заснована на явищі дифракції світлової хвилі, яка, проходячи через систему прозорих і непрозорих областей, розбивається на відокремлені пучки когерентного світла. Вони зазнають дифракції на штрихах. І при цьому інтерферують один з одним. Кожна довжина хвилі має свою величину кута дифракції, тому відбувається розкладання білого світла в спектр.

Роздільна здатність дифракційної решітки

Будучи оптичним пристроєм, що застосовується у спектральних приладах, вона має низку характеристик, що визначають її використання. Одна з таких властивостей - роздільна здатність, що полягає в можливості роздільного спостереження двох спектральних ліній, що володіють близькою довжиною хвиль. Підвищення цієї характеристики домагаються збільшенням загальної кількості штрихів, наявних у дифракційній решітці.

У хорошому пристрої число штрихів на один міліметр досягає 500, тобто при загальній довжині решітки 100 міліметрів повна кількість штрихів складе 50 000. Така цифра допоможе домогтися більш вузьких інтерференційних максимумів, що дозволить виділити близькі спектральні лінії.

Застосування дифракційних решіток

За допомогою цього оптичного пристрою можна точно визначити довжину хвилі, тому його застосовують як диспергуючий елемент у спектральних приладах різного призначення. Дифракційна решітка застосовується для виділення монохроматичного світла (в монохроматорах, спектрофотометрах та інших), в якості оптичного датчика лінійних або кутових переміщень (так звана вимірювальна решітка), в поляризаторах і оптичних фільтрах, в якості ділника пучків випромінювання в інтерферометрі, а також в антиб

У побуті досить часто можна зіткнутися з прикладами дифракційних решіток. Найпростішою з відбивальних можна вважати нарізку компакт-дисків, оскільки на їх поверхню по спіралі нанесена доріжка з кроком 1,6 мкм між витками. Третя частина ширини (0,5 мкм) такої доріжки припадає на поглиблення (де міститься записана інформація), що розсіює падаюче світло, а близько двох третин (1,1 мкм) займає недоторкана підкладка, здатна відображати промені. Отже, компакт-диск є відбивальною дифракційною решіткою з періодом 1,6 мкм. Іншим прикладом такого пристрою є голограми різного виду і напрямку застосування.

Виготовлення

Для отримання якісної дифракційної решітки необхідно дотримуватися дуже високої точності виготовлення. Помилка при нанесенні хоч одного штриха або щілини призводить до моментальної вибраковки виробу. Для процесу виготовлення застосовується особлива ділова машина з алмазними різцями, що кріпиться до спеціального масивного фундаменту. До початку процесу нарізки решітки це обладнання має пропрацювати від 5 до 20 годин в холостому режимі, щоб стабілізувати всі вузли. Виготовлення однієї дифракційної решітки займає майже 7 діб. Незважаючи на те що нанесення кожного штриха відбувається всього лише за 3 секунди. Решітки при такому виготовленні мають рівновідстаючі один від одного паралельні штрихи, форма перерізу яких залежить від профілю алмазного різця.

Сучасні дифракційні решітки для спектральних приладів

В даний час набула поширення нова технологія їх виготовлення за допомогою освіти на особливих світлочутливих матеріалах, званих фоторезистами, інтерференційної картини, одержуваної від випромінювання лазерів. В результаті випускається продукція з голографічним ефектом. Так само можна наносити штрихи на рівну поверхню, отримуючи плоску дифракційну решітку або увігнуту сферичну, що дасть увігнутий пристрій, що має фокусує дію. У конструкції сучасних спектральних приладів застосовуються і ті й інші.

Таким чином, явище дифракції поширене в повсякденному житті повсюдно. Це обумовлює широке застосування такого заснованого на даному процесі пристрою, як дифракційна решітка. Вона може як стати частиною науково-дослідного обладнання, так і зустрітися в побуті, наприклад, в якості основи голографічної продукції.