Rejillas de difracción

Elementos ópticos dispersivos · Espectroscopia · Láseres · Telecomunicaciones · Fuente: PhotonLab

Las rejillas de difracción son componentes ópticos clave en una amplia gama de aplicaciones, incluidos espectrómetros, otros instrumentos analíticos, telecomunicaciones y sistemas láser. Una rejilla contiene una estructura microscópica de surcos periódicos que divide la luz incidente en múltiples trayectorias de haz mediante difracción, lo que hace que la luz de diferentes longitudes de onda se propague en diferentes direcciones. Esto hace que una rejilla de difracción sea funcionalmente similar a un prisma dispersivo, aunque un prisma separa las longitudes de onda mediante refracción dependiente de la longitud de onda-en lugar de difracción (Figura 1).

Figura 1. Un prisma dispersivo separa longitudes de onda por refracción (arriba), mientras que una rejilla de difracción separa longitudes de onda por difracción debido a su estructura superficial (abajo).

La luz que incide sobre una rejilla se difracta según la ecuación de la rejilla:

Aquí,mes un número entero que describe el orden de difracción (o espectral),λes la longitud de onda de la luz,des el espacio entre las ranuras de la rejilla, es el ángulo de incidencia, y es el ángulo difractado de la luz que sale de la rejilla. La interferencia constructiva de diferentes frentes de onda difractados ocurre en múltiplos enteros de la longitud de onda, razón por la cual "m" aparece en la Ecuación (1).mdefine el orden de difracción:m= 1 se llama difracción de primer-orden,m= 2 es difracción de segundo-orden, y así sucesivamente (Figura 2). Sim= 0, la luz se refleja directamente desde la rejilla o se transmite a través de ella, según se trate de una rejilla de reflexión o de transmisión; esto se llama difracción de orden-cero. A diferencia de un prisma dispersivo, las longitudes de onda más cortas siempre están más cerca de la luz transmitida o reflejada directamente-en este caso, el orden 0. Existe cierta superposición entre diferentes órdenes. Todos los ángulos se miden desde la rejilla normal (perpendicular a la rejilla).

Figura 2. Parte de la luz se refleja directamente como difracción de orden 0-, mientras que otras partes de la luz incidente se difractan en ángulos de primer-orden dependiendo de la longitud de onda. Las cantidades más pequeñas se separan en difracción de-ángulo superior, segundo- y tercer-orden.

Qué considerar al elegir una rejilla

Al seleccionar una rejilla, es importante especificar el rango de longitud de onda, la longitud de onda de resplandor (la longitud de onda con mayor eficiencia en el espectro difractado) y el ángulo de resplandor. El ángulo del resplandor describe el ángulo de difracción de primer-orden de la longitud de onda del resplandor. En este ángulo y en la ecuación (1) son iguales y la luz incidente se difracta en la dirección de donde vino. Esta condición también se denomina configuración de Littrow. Operar cerca de este ángulo proporciona la mayor eficiencia.

Generalmente se especifica la densidad del surco o la frecuencia del surco. Es el inverso del espacio entre ranuras.d. Una propiedad clave de un sistema óptico es su dispersión, pero esto depende tanto de las propiedades de la rejilla como de cómo se utiliza. Sin otros detalles del sistema, a una rejilla por sí sola no se le puede asignar una regla como "una determinada rotación corresponde a una determinada separación de longitudes de onda". También se puede especificar el poder de resolución de una rejilla y se relaciona con la resolución espectral del sistema. Sin embargo, esta resolución depende tanto de la rejilla como de las rendijas de entrada y salida del sistema. El poder de resolución de la rejilla.Rdepende del orden espectralmy el número de ranuras bajo iluminaciónN:

Normalmente hay tantas ranuras iluminadas que las ranuras de entrada y salida-no la rejilla-limitan la resolución del sistema. Las curvas de eficiencia también se pueden utilizar para verificar el nivel de difracción en todas las longitudes de onda utilizadas en la aplicación.

Una rejilla debe ser al menos tan grande como el cono o haz de luz incidente; de lo contrario se perderá la luz de los bordes. Por lo tanto, una rejilla siempre debe estar insuficientemente llena para evitar que la luz parásita rebote en el sistema y genere señales falsas.

Tipos de rejillas

Rejillas de reflexión versus rejillas de transmisión

Las dos categorías más amplias son rejillas de reflexión y rejillas de transmisión. Las figuras 1 y 2 muestran rejillas de reflexión: esencialmente espejos con ranuras microscópicas. Todos los órdenes difractados se reflejan en la rejilla en diferentes ángulos. Una rejilla de transmisión es como una lente con ranuras microscópicas: todos los órdenes difractados pasan a través de la rejilla, pero están compensados ​​por los ángulos dados en la ecuación (1).

Rejillas regladas frente a rejillas holográficas

Tanto las rejillas de reflexión como las de transmisión se pueden dividir en rejillas regladas y rejillas holográficas, que se diferencian en la forma en que se crean los perfiles de ranura. En las rejillas regladas, las ranuras se graban o cortan mecánicamente en el componente. En las rejillas holográficas, las ranuras se introducen ópticamente: un material fotosensible llamado fotorresistente se deposita sobre un sustrato y se expone a un patrón de interferencia óptica. Luego, el fotorresistente restante se elimina químicamente, dejando el patrón de rejilla. Las rejillas regladas suelen tener ranuras triangulares (Figura 3), mientras que las rejillas holográficas suelen tener ranuras sinusoidales (Figuras 3 y 4).

Figura 3. Las rejillas de difracción regladas suelen tener ranuras triangulares. Flecha en la rejilla: dirección del incendio.

Figura 4. Las rejillas de difracción holográfica suelen tener ranuras sinusoidales.

Rejillas Echelle

Una rejilla echelle se caracteriza por un mayor espacio entre ranuras o una menor densidad de ranuras que las rejillas ordinarias-normalmente alrededor de 10× y, a veces, hasta 100×. Iluminar una rejilla Echelle con un alto ángulo de incidencia ( ) produce alta dispersión, alta resolución y baja eficiencia dependiente de la polarización-. Estas rejillas son muy adecuadas para aplicaciones que requieren alta resolución, como instrumentos y sistemas astronómicos sensibles que buscan una resolución de nivel atómico-.

Rejillas planas frente a rejillas cóncavas

Todos los tipos de rejillas anteriores se pueden dividir en rejillas planas y rejillas cóncavas, describiendo su forma general. Las rejillas planas son planas y más comunes. Si las ranuras son rectas y están igualmente espaciadas, la rejilla es plana y la luz incidente está colimada, entonces toda la luz difractada permanece colimada. Esto resulta beneficioso en muchas aplicaciones porque las propiedades de enfoque del sistema se vuelven independientes de la longitud de onda. En comparación con las rejillas cóncavas, las rejillas planas también suelen reducir la complejidad del sistema. Las rejillas cóncavas son curvas, por lo que convergen o divergen la luz. Esto es útil para reducir el número total de componentes ópticos en un sistema, pero las propiedades de enfoque dependen de la longitud de onda.

Aplicaciones de rejilla

Monocromadores

Un monocromador utiliza una rejilla cóncava o plana junto con espejos para seleccionar una banda estrecha de la luz incidente. Si una fuente de luz-blanca ingresa a dicho dispositivo, filtra todas las longitudes de onda excepto la banda de salida estrecha prevista. La Figura 5 muestra cómo un monocromador gira la rejilla para que diferentes longitudes de onda pasen a través de la rendija de salida mientras que todas las demás longitudes de onda quedan bloqueadas.

Figura 5. Monocromador de rejilla plana-(arriba) y monocromador de rejilla cóncava-(abajo). Ambos giran la rejilla para escanear las órdenes de difracción a través de la rendija de salida y determinar con precisión qué longitudes de onda pueden salir del dispositivo.

Espectrómetros

Al igual que los monocromadores, los espectrómetros separan las longitudes de onda de una fuente de banda ancha, pero no tienen partes móviles. En cambio, todas las longitudes de onda separadas se reproducen simultáneamente en una matriz de detectores (Figura 6). Cada longitud de onda se reproduce en un conjunto diferente de píxeles, lo que permite que el dispositivo determine qué cantidad de cada longitud de onda existe en la fuente de banda ancha. Los espectrómetros se utilizan normalmente cuando se requiere un análisis espectral rápido, porque no es necesario escanear longitudes de onda a través de un detector, lo que ahorra tiempo.

Figura 6. El espectrómetro de rejilla -plana (arriba) y el espectrómetro de rejilla-cóncava (abajo) utilizan una rejilla fija para separar las longitudes de onda incidentes en diferentes píxeles de una matriz de detectores.

Sintonización láser

Hay varias formas de utilizar una rejilla de difracción para sintonizar la salida espectral de un láser o estrechar su banda de salida. La rejilla se puede girar de modo que sólo un orden de difracción específico salga del láser; la rejilla puede permanecer estacionaria mientras un espejo gira para filtrar la banda de salida; o la rejilla puede reemplazar un espejo dentro del láser para estrechar la banda de salida (Figura 7).

Figura 7. Estas tres configuraciones muestran diferentes formas en que se utiliza una rejilla para sintonizar la longitud de onda de salida del láser o reducir el rango de longitud de onda de salida.

Estiramiento, compresión y amplificación del pulso láser

Los pulsos láser cortos, como los pulsos ultrarrápidos, a menudo tienen una potencia máxima alta que puede dañar componentes y revestimientos ópticos sensibles. Para evitar esto, a veces se utiliza un par de rejillas de difracción para estirar el pulso, aumentando su duración y reduciendo su potencia máxima. Luego, el pulso estirado puede pasar a través de un amplificador óptico y ganar potencia sin dañar ningún componente óptico. Otro par de rejillas en la configuración inversa puede comprimir la duración del pulso después de la amplificación, produciendo un pulso corto y de alta-potencia en el objetivo (Figura 8).

Figura 8. Las rejillas se pueden utilizar en sistemas de láser pulsado para aumentar la duración del pulso-previniendo el daño-inducido por el láser-y para disminuir la duración del pulso, produciendo pulsos de alta-potencia en el objetivo.