Reticoli di diffrazione

Elementi ottici dispersivi · Spettroscopia · Laser · Telecomunicazioni · Fonte: PhotonLab

I reticoli di diffrazione sono componenti ottici chiave in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui spettrometri, altri strumenti analitici, telecomunicazioni e sistemi laser. Un reticolo contiene una struttura microscopica di scanalature periodiche che divide la luce incidente in più percorsi ottici attraverso la diffrazione, provocando la propagazione della luce di diverse lunghezze d'onda in direzioni diverse. Ciò rende un reticolo di diffrazione funzionalmente simile a un prisma dispersivo, sebbene un prisma separi le lunghezze d'onda per rifrazione dipendente dalla lunghezza d'onda- anziché per diffrazione (Figura 1).

Figura 1. Un prisma dispersivo separa le lunghezze d'onda per rifrazione (in alto), mentre un reticolo di diffrazione separa le lunghezze d'onda per diffrazione grazie alla sua struttura superficiale (in basso).

La luce incidente su un reticolo viene diffratta secondo l'equazione del reticolo:

Qui,mè un numero intero che descrive l'ordine di diffrazione (o spettrale),λè la lunghezza d'onda della luce,dè la spaziatura tra le scanalature sulla griglia, è l'angolo di incidenza e è l'angolo diffratto della luce che lascia il reticolo. L'interferenza costruttiva di diversi fronti d'onda diffratti si verifica a multipli interi della lunghezza d'onda, motivo per cui "m" appare nell'equazione (1).mdefinisce l'ordine di diffrazione:m= 1 è chiamata diffrazione del primo-ordine,m= 2 è la diffrazione del secondo-ordine e così via (Figura 2). Sem= 0, la luce viene riflessa direttamente dal reticolo oppure trasmessa attraverso di esso, a seconda che si tratti di un reticolo di riflessione o di trasmissione; questa è chiamata diffrazione di ordine zero-. A differenza di un prisma dispersivo, le lunghezze d'onda più corte sono sempre più vicine alla luce riflessa o trasmessa direttamente-in questo caso, l'ordine 0. Esiste una certa sovrapposizione tra diversi ordini. Tutti gli angoli sono misurati dalla normale del reticolo (perpendicolare al reticolo).

Figura 2. Parte della luce viene riflessa direttamente come diffrazione di ordine 0-, mentre altre parti della luce incidente vengono diffratte in angoli di primo-ordine a seconda della lunghezza d'onda. Le quantità più piccole vengono separate nella diffrazione dell'-angolo di 2°- e del 3°-ordine.

Cosa considerare quando si sceglie un grigliato

Quando si seleziona un reticolo, è importante specificare l'intervallo di lunghezze d'onda, la lunghezza d'onda di blaze (la lunghezza d'onda con la massima efficienza nello spettro diffratto) e l'angolo di blaze. L'angolo di fiammata descrive l'angolo di diffrazione del primo-ordine della lunghezza d'onda della fiammata. A questo angolo e nell'equazione (1) sono uguali e la luce incidente viene diffratta nella direzione da cui proviene. Questa condizione è anche chiamata configurazione di Littrow. Operando vicino a questo angolo si ottiene la massima efficienza.

Di solito viene specificata la densità della scanalatura, o la frequenza della scanalatura. È l'inverso della spaziatura della scanalaturad. Una proprietà chiave di un sistema ottico è la sua dispersione, ma questa dipende sia dalle proprietà del reticolo che da come viene utilizzato. Senza altri dettagli del sistema, ad un reticolo da solo non può essere assegnata una regola come "una certa rotazione corrisponde ad una certa separazione di lunghezze d'onda". Può anche essere specificato il potere risolutivo di un reticolo, che si riferisce alla risoluzione spettrale del sistema. Questa risoluzione dipende però sia dalla griglia che dalle fessure di ingresso e uscita del sistema. Il potere risolutivo del reticoloRdipende dall'ordine spettraleme il numero di scanalature sotto illuminazioneN:

Di solito vengono illuminate così tante scanalature che le fessure di ingresso e di uscita-non la grata-limitano la risoluzione del sistema. Le curve di efficienza possono essere utilizzate anche per verificare il livello di diffrazione su tutte le lunghezze d'onda utilizzate nell'applicazione.

Un reticolo dovrebbe essere largo almeno quanto il cono o il fascio di luce incidente; altrimenti la luce proveniente dai bordi andrà persa. Pertanto, una griglia dovrebbe essere sempre riempita in modo insufficiente per evitare che la luce diffusa rimbalzi nel sistema e generi falsi segnali.

Tipi di grigliati

Reticoli di riflessione vs. Reticoli di trasmissione

Le due categorie più ampie sono i reticoli di riflessione e i reticoli di trasmissione. Le figure 1 e 2 mostrano reticoli di riflessione: essenzialmente specchi con scanalature microscopiche. Tutti gli ordini diffratti si riflettono dal reticolo ad angoli diversi. Un reticolo di trasmissione è come una lente con scanalature microscopiche: tutti gli ordini diffratti passano attraverso il reticolo, ma sono compensati dagli angoli dati nell'equazione (1).

Grigliati rigati e grigliati olografici

Sia i reticoli di riflessione che quelli di trasmissione possono essere ulteriormente suddivisi in reticoli rigati e reticoli olografici, che differiscono per il modo in cui vengono creati i profili delle scanalature. Nei grigliati rigati, le scanalature vengono incise o tagliate meccanicamente nel componente. Nei reticoli olografici, le scanalature vengono introdotte otticamente: un materiale fotosensibile chiamato fotoresist viene depositato su un substrato ed esposto a una figura di interferenza ottica. Il fotoresist rimanente viene quindi rimosso chimicamente, lasciando la struttura a reticolo. I reticoli rigati hanno solitamente scanalature triangolari (Figura 3), mentre i reticoli olografici hanno solitamente scanalature sinusoidali (Figure 3 e 4).

Figura 3. I reticoli di diffrazione rigati hanno tipicamente scanalature triangolari. Freccia sulla griglia: direzione della fiamma.

Figura 4. I reticoli di diffrazione olografica hanno tipicamente scanalature sinusoidali.

Grate Echelle

Un reticolo echelle è caratterizzato da una spaziatura delle scanalature maggiore o da una densità delle scanalature inferiore rispetto ai reticoli ordinari-tipicamente circa 10× e talvolta fino a 100×. L'illuminazione di un reticolo a echelle con un angolo di incidenza elevato ( ) produce un'elevata dispersione, un'alta risoluzione e un'efficienza dipendente dalla bassa polarizzazione-. Questi reticoli sono particolarmente adatti per applicazioni che richiedono alta risoluzione, come strumenti astronomici sensibili e sistemi che perseguono una risoluzione a livello atomico-.

Grigliati piani e grigliati concavi

Tutti i tipi di grigliati sopra indicati possono essere ulteriormente suddivisi in grigliati piani e grigliati concavi, descrivendone la forma complessiva. I reticoli piani sono piatti e più comuni. Se le scanalature sono diritte ed equidistanti, il reticolo è piatto e la luce incidente è collimata, tutta la luce diffratta rimane collimata. Ciò è vantaggioso in molte applicazioni perché le proprietà di focalizzazione del sistema diventano indipendenti dalla lunghezza d'onda. Rispetto ai grigliati concavi, anche i grigliati piani riducono solitamente la complessità del sistema. I reticoli concavi sono curvi, quindi convergono o divergono la luce. Ciò è utile per ridurre il numero totale di componenti ottici in un sistema, ma le proprietà di focalizzazione dipendono quindi dalla lunghezza d'onda.

Applicazioni del grigliato

Monocromatori

Un monocromatore utilizza un reticolo concavo o piano insieme a specchi per selezionare una banda stretta dalla luce incidente. Se una sorgente di luce bianca-entra in un dispositivo di questo tipo, filtra tutte le lunghezze d'onda tranne la banda di uscita stretta prevista. La Figura 5 mostra come un monocromatore ruota il reticolo in modo che diverse lunghezze d'onda passino attraverso la fenditura di uscita mentre tutte le altre lunghezze d'onda vengono bloccate.

Figura 5. Il monocromatore a reticolo piano- (in alto) e il monocromatore a reticolo concavo- (in basso) ruotano entrambi il reticolo per scansionare gli ordini di diffrazione attraverso la fenditura di uscita e determinare con precisione quali lunghezze d'onda possono lasciare il dispositivo.

Spettrometri

Come i monocromatori, gli spettrometri separano le lunghezze d'onda di una sorgente a banda larga, ma non hanno parti in movimento. Tutte le lunghezze d'onda separate vengono invece riprese simultaneamente su un array di rilevatori (Figura 6). Ogni lunghezza d'onda viene riprodotta su un diverso set di pixel, consentendo al dispositivo di determinare quanta parte di ciascuna lunghezza d'onda esiste nella sorgente a banda larga. Gli spettrometri vengono generalmente utilizzati quando è richiesta un'analisi spettrale rapida, poiché non è necessario scansionare le lunghezze d'onda attraverso un rilevatore, risparmiando tempo.

Figura 6. Lo spettrometro a reticolo piano- (in alto) e lo spettrometro a reticolo concavo- (in basso) utilizzano entrambi un reticolo fisso per separare le lunghezze d'onda incidenti su diversi pixel di una serie di rilevatori.

Sintonizzazione laser

Esistono diversi modi per utilizzare un reticolo di diffrazione per ottimizzare l'uscita spettrale di un laser o restringere la sua banda di uscita. Il reticolo può essere ruotato in modo che solo uno specifico ordine di diffrazione lasci il laser; il reticolo può rimanere fermo mentre uno specchio ruota per filtrare la banda in uscita; oppure il reticolo può sostituire uno specchio all'interno del laser per restringere la banda di uscita (Figura 7).

Figura 7. Queste tre configurazioni mostrano diversi modi in cui viene utilizzato un reticolo per regolare la lunghezza d'onda di uscita del laser o restringere l'intervallo della lunghezza d'onda di uscita.

Stretching, compressione e amplificazione dell'impulso laser

Brevi impulsi laser, come gli impulsi ultraveloci, hanno spesso un'elevata potenza di picco che può danneggiare rivestimenti e componenti ottici sensibili. Per evitare ciò, a volte viene utilizzata una coppia di reticoli di diffrazione per allungare l'impulso, aumentandone la durata e riducendone la potenza di picco. L'impulso allungato può quindi passare attraverso un amplificatore ottico e acquisire potenza senza danneggiare alcun componente ottico. Un'altra coppia di reticoli nella configurazione inversa può comprimere la durata dell'impulso dopo l'amplificazione, producendo un impulso breve e ad alta-potenza sul bersaglio (Figura 8).

Figura 8. I reticoli possono essere utilizzati nei sistemi laser pulsati sia per aumentare la durata dell'impulso-prevenendo-danni indotti dal laser-sia per diminuire la durata dell'impulso, producendo-impulsi ad alta potenza sul bersaglio.