회절 격자

광학 분산 요소 · 분광학 · 레이저 · 통신 · 출처: PhotonLab

회절 격자는 분광계, 기타 분석 기기, 통신 및 레이저 시스템을 포함한 광범위한 응용 분야의 핵심 광학 구성 요소입니다. 격자에는 입사광을 회절을 통해 여러 광선 경로로 분할하여 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 방향으로 전파되도록 하는 미세한 주기적인 홈 구조가 포함되어 있습니다. 이로 인해 회절 격자는 기능적으로 분산 프리즘과 유사하게 됩니다. 단, 프리즘은 회절보다는 파장{2}}의존 굴절에 따라 파장을 분리합니다(그림 1).

그림 1. 분산 프리즘은 굴절을 통해 파장을 분리하고(위), 회절 격자는 표면 구조로 인해 회절을 통해 파장을 분리합니다(아래).

격자에 입사된 빛은 격자 방정식에 따라 회절됩니다.

mλ=d ( 죄 + 죄 )

(1)

여기,m회절(또는 스펙트럼) 차수를 설명하는 정수입니다.λ는 빛의 파장이고,d격자판의 홈 사이의 간격입니다. 는 입사각이고, 격자를 떠나는 빛의 회절 각도입니다. 다양한 회절 파면의 보강 간섭은 파장의 정수배에서 발생하며, 이것이 방정식 (1)에 "m"이 나타나는 이유입니다.m회절 순서를 정의합니다.m= 1는 1차-차 회절이라고 합니다.m= 2는 2차-회절이고, 기타 등등입니다(그림 2). 만약에m= 0, 빛은 반사 격자인지 투과 격자인지에 따라 격자에서 직접 반사되거나 통과합니다. 이것을 영-차 회절이라고 합니다. 분산 프리즘과 달리 더 짧은 파장은 항상 직접 반사되거나 투과되는 빛에 더 가깝습니다.-이 경우에는 0차입니다. 서로 다른 주문 간에 일부 중복이 존재합니다. 모든 각도는 격자 법선(격자에 수직)에서 측정됩니다.

그림 2. 일부 빛은 0차 회절로 직접 반사되는 반면, 입사광의 다른 부분은 파장에 따라 1차-차 각도로 회절됩니다. 더 작은 양은 더 높은-각도의 2차- 및 3차-차 회절로 분리됩니다.

격자를 선택할 때 고려해야 할 사항

격자를 선택할 때 파장 범위, 블레이즈 파장(회절 스펙트럼에서 가장 효율이 높은 파장) 및 블레이즈 각도를 지정하는 것이 중요합니다. 블레이즈 각도는 블레이즈 파장의 1차-회절 각도를 나타냅니다. 이 각도에서 와 방정식 (1)은 동일하며 입사광은 입사한 방향으로 다시 회절됩니다. 이 조건을 Littrow 구성이라고도 합니다. 이 각도에 가깝게 작동하면 효율성이 가장 높아집니다.

그루브 밀도 또는 그루브 주파수는 일반적으로 지정됩니다. 홈 간격의 역수입니다.d. 광학 시스템의 주요 특성은 분산이지만 이는 격자의 특성과 격자 사용 방법에 따라 달라집니다. 다른 시스템 세부 사항이 없으면 격자에만 "특정 회전은 특정 파장 분리에 해당합니다."와 같은 규칙을 할당할 수 없습니다. 격자의 분해능도 지정될 수 있으며 이는 시스템의 스펙트럼 분해능과 관련됩니다. 그러나 이 해상도는 격자와 시스템의 입구 및 출구 슬릿에 따라 달라집니다. 그레이팅의 분해능R스펙트럼 차수에 따라 다름m조명을 받는 홈의 수N:

R=λ / Δλ=mN

일반적으로 너무 많은 홈이 조명되어 시스템 해상도를 제한하는-격자가 아닌-입구 및 출구 슬릿입니다. 효율성 곡선은 응용 분야에 사용되는 모든 파장에 걸쳐 회절 수준을 확인하는 데에도 사용할 수 있습니다.

격자는 최소한 입사광 원뿔 또는 빔만큼 커야 합니다. 그렇지 않으면 가장자리의 빛이 손실됩니다. 따라서 미광이 시스템 주위로 반사되어 잘못된 신호를 생성하는 것을 방지하기 위해 격자는 항상 언더필되어야 합니다.

격자의 종류

반사 격자와 투과 격자

가장 광범위한 두 가지 범주는 반사 격자와 투과 격자입니다. 그림 1과 2는 반사 격자를 보여줍니다. 기본적으로 미세한 홈이 있는 거울입니다. 모든 회절 차수는 격자에서 서로 다른 각도로 반사됩니다. 투과 격자는 미세한 홈이 있는 렌즈와 같습니다. 모든 회절 차수는 격자를 통과하지만 방정식 (1)에 주어진 각도만큼 오프셋됩니다.

괘선 격자와 홀로그램 격자

반사 격자와 투과 격자는 모두 괘선 격자와 홀로그램 격자로 더 나눌 수 있으며, 홈 프로파일이 생성되는 방식이 다릅니다. 괘선 격자에서는 홈이 부품에 기계적으로 새겨지거나 절단됩니다. 홀로그램 격자에서는 홈이 광학적으로 도입됩니다. 즉, 포토레지스트라고 하는 감광성 물질이 기판에 증착되어 광학 간섭 패턴에 노출됩니다. 그런 다음 남은 포토레지스트를 화학적으로 제거하여 격자 패턴을 남깁니다. 괘선 격자에는 일반적으로 삼각형 홈이 있고(그림 3), 홀로그램 격자에는 일반적으로 사인파 홈이 있습니다(그림 3 및 4).

그림 3. 괘선 회절 격자에는 일반적으로 삼각형 홈이 있습니다. 격자 위의 화살표: 불꽃의 방향.

그림 4. 홀로그램 회절 격자에는 일반적으로 사인파형 홈이 있습니다.

에셸 그레이팅스

에셸 격자는 일반 격자보다 홈 간격이 더 크거나 홈 밀도가 더 낮다는 특징이 있습니다-. 일반적으로 약 10×, 때로는 최대 100×입니다. 높은 입사각( )으로 에셸 격자를 조명하면 높은 분산, 높은 해상도 및 낮은 편광-의존 효율성을 얻을 수 있습니다. 이러한 격자는 민감한 천문 기기 및 원자{6}}수준 분해능을 추구하는 시스템과 같이 고해상도가 필요한 응용 분야에 매우 적합합니다.

평면 격자와 오목 격자

위의 모든 격자 유형은 전체 모양을 설명하는 평면 격자와 오목 격자로 더 나눌 수 있습니다. 평면 격자는 평평하고 더 일반적입니다. 홈이 직선이고 간격이 동일하고 격자가 평평하며 입사광이 시준되면 모든 회절광은 시준된 상태로 유지됩니다. 이는 시스템의 포커싱 속성이 파장에 독립적이기 때문에 많은 응용 분야에서 유용합니다. 오목 격자와 비교하여 평면 격자는 일반적으로 시스템 복잡성을 줄여줍니다. 오목 격자는 곡선이므로 빛을 수렴하거나 발산합니다. 이는 시스템의 총 광학 구성 요소 수를 줄이는 데 유용하지만 포커싱 속성은 파장에 따라 달라집니다.

격자 응용

단색 장치

단색기는 입사광에서 좁은 띠를 선택하기 위해 거울과 함께 오목 또는 평면 격자를 사용합니다. 백색-광원이 이러한 장치에 들어가면 의도된 좁은 출력 대역을 제외한 모든 파장을 필터링합니다. 그림 5는 다른 모든 파장이 차단되는 동안 다른 파장이 출구 슬릿을 통과하도록 단색광 장치가 격자를 회전시키는 방법을 보여줍니다.

그림 5. 평면- 격자 모노크로메이터(상단)와 오목- 격자 모노크로메이터(하단)는 모두 격자를 회전시켜 출구 슬릿을 가로질러 회절 차수를 스캔하고 장치에서 나갈 수 있는 파장을 정확하게 결정합니다.

분광계

단색기와 마찬가지로 분광기는 광대역 광원의 파장을 분리하지만 움직이는 부분은 없습니다. 대신, 분리된 모든 파장이 검출기 어레이에 동시에 이미지화됩니다(그림 6). 각 파장은 서로 다른 픽셀 세트에 이미지화되므로 장치는 광대역 소스에 존재하는 각 파장의 양을 확인할 수 있습니다. 분광계는 일반적으로 빠른 스펙트럼 분석이 필요할 때 사용됩니다. 왜냐하면 검출기 전체에서 파장을 스캔할 필요가 없어 시간이 절약되기 때문입니다.

그림 6. 평면-격자 분광계(상단)와 오목-격자 분광계(하단)는 모두 고정 격자를 사용하여 입사 파장을 검출기 배열의 서로 다른 픽셀로 분리합니다.

레이저 튜닝

회절 격자를 사용하여 레이저의 스펙트럼 출력을 조정하거나 출력 대역을 좁히는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 특정 회절 차수만 레이저에서 나오도록 격자를 회전할 수 있습니다. 출력 대역을 필터링하기 위해 거울이 회전하는 동안 격자는 고정된 상태로 유지될 수 있습니다. 또는 격자가 레이저 내부의 거울을 대체하여 출력 대역을 좁힐 수 있습니다(그림 7).

그림 7. 이 세 가지 설정은 격자가 레이저 출력 파장을 조정하거나 출력 파장 범위를 좁히는 데 사용되는 다양한 방법을 보여줍니다.

레이저 펄스 스트레칭, 압축 및 증폭

초고속 펄스와 같은 짧은 레이저 펄스는 민감한 광학 코팅 및 부품을 손상시킬 수 있는 높은 피크 전력을 갖는 경우가 많습니다. 이를 방지하기 위해 때때로 한 쌍의 회절 격자를 사용하여 펄스를 늘려 지속 시간을 늘리고 피크 전력을 줄입니다. 늘어난 펄스는 광학 증폭기를 통과하여 광학 부품을 손상시키지 않고 전력을 얻을 수 있습니다. 반대 구성의 또 다른 격자 쌍은 증폭 후 펄스 지속 시간을 압축하여 대상에서 짧은 고전력 펄스를 생성할 수 있습니다(그림 8).