توری پراش (گریتینگ) چیست؟ (2 روش ساخت)|بلورآزما
فهرست مطالب
توری پراش (گریتینگ)، قطعه اپتیکی تفکیک کننده نور در سیستم های نوری است. توری پراش نور را تجزیه کرده و وضوح بالایی را در این سیستم ها فراهم می کند.
در یک دستگاه اسپکتروفوتومتر یا اسپکترومتر، توری پراش برای تفکیک نور به طول موج های مجزا و کوچک تر استفاده می شود (مشابه با عملکرد منشور). هنگامی که نور به یک توری پراش می تابد، در هنگام عبور یا بازتاب از سطح توری (بسته به نوع آن)، به مجموعه ای از پرتوهای باریک تجزیه می شود که بسته به طول موج آنها در زوایای مختلف پراکنده می شوند.
توری پراش، یکی از مهم ترین قطعات یک دستگاه طیف سنجی نوری است که الگویی تکرار شونده با فاصله یکنواخت از خطوط و مرزبندی هایی است که فاز یا دامنه نور فرودی را تحت تأثیر قرار می دهند. بسته به زاویه تابش نور و به این دلیل که زاویه پراش به طول موج نور بستگی دارد، الگوهای طیفی روی سطح تصویربرداری (یا سیستم آشکارساز) قابل تشخیص هستند. با تنظیم زاویه تابش نور و فاصله شکاف ورودی از توری پراش، محدوده طول موجی و رزولوشن یک دستگاه طیف سنجی نوری را می توان تعیین کرد. از این رو، انتخاب یک توری پراش مناسب، یک عامل کلیدی در بهینه سازی دستگاه های اسپکتروفوتومتر و اپتیکی، برای حصول بهترین نتایج طیفی در یک کاربرد خاص است.
انواع مختلف توری پراش نسبت به شکاف های دوتایی یانگ مفیدتر هستند زیرا الگوی طیفی تیزتری را تشکیل می دهند. توری های پراش را می توان با حکاکی روی شیشه، فلزات خاص و یا کوارتز با یک ابزار تیز به صورت تعداد زیادی از خطوط کاملاً موازی و نواحی دست نخورده که مانند شکاف عمل می کنند، تولید کرد. در این مقاله، ابتدا عملکرد کلی توری پراش را توضیح می دهیم و سپس، دو روش رایج ساخت این قطعات اپتیکی پرکاربرد را شرح خواهیم داد. با ما همراه باشید.
مکانیزم عملکرد کلی توری پراش
در ساده ترین حالت، یک توری پراش معمولی از آرایش متناوبی از شیارها یا خطوط موازی تشکیل شده است (که به آنها چگالی خط نیز گفته می شود). اگر بر روی چنین آرایشی تناوبی نور بتابد، با عمل پراش، خطوط به عنوان منابع نوری مستقلی تبدیل می شوند و نور به شکل کروی پراکنده می شود.
پراکندگی در شبکه توری، طبق اصل هویگنس-فرنل توضیح داده می شود. این اصل نظریه ای در فیزیک است که بیان می کند هر نقطه در جبهه موج، خود منبع موجک های کروی مستقل است. موجک های ثانویه که از نقاط مختلف سرچشمه می گیرند، متقابلاً با یکدیگر تداخل دارند و مجموع این موجک های کروی، یک جبهه موج جدید را تشکیل می دهد. برای اطلاع از جزئیات اصل هویگنس، به مقاله "فیزیک شکست نور و اصل هویگنس" مراجعه کنید.
ویژگی خاص یک توری پراش این است که برای یک طول موج ثابت، تنها جهت های گسسته ای وجود دارند که امواج پراشیده شده از شیارها، هم فاز شده و بنابراین می توانند تداخل سازنده ای داشته باشند (که به عنوان مرتبه های پراش توصیف می شوند). هنگامی که این تداخل های سازنده رخ می دهد، نقاط روشنی در زوایای مشخصی ایجاد می شود که هر نقطه روشن، یک مُد نامیده می شود.
معادله توری پراش به صورت زیر بیان می شود:
N.m.λ = sin(α) + sin(β)
که در آن N=1/d تعداد شیارها در واحد طول و m مرتبه پراش (m = ±1, ±2, ±3, …) است و طول موج های مختلفی که در زاویه α به توری تابیده می شوند، در زاویه (λ)β از هم جدا می شوند. به دلیل اینکه sin(β) + sin(a)| ≤ 2|، تنها آن دسته از مرتبه هایی که m ∙ λ < 2 برای آنها برآورده می شود، می توانند وجود داشته باشند (نقاط روشن) و مرتبه صفر (m = 0) مطابق با بازتابی است که در حالت آینه ای رخ می دهد.
مرتبه پراش یک گریتینگ، یک عدد بدون بعد است که تعداد زیر دسته های شکسته شده را از موقعیت پرتو صفر می شمارد. هر چه این مرتبه طیفی بالاتر باشد، همپوشانی با مرتبه بعدی بیشتر خواهد بود. محدوده طول موج غیر همپوشانی هر مرتبه، محدوده طیفی آزاد یک توری را تعیین می کند.
روش های ساخت توری های پراش
برای توصیف میزان وضوح توری پراش، از چگالی شیار یا چگالی خط استفاده می شود که واحد آن خط بر میلی متر می باشد. این خطوط با تکنیک های متفاوتی ایجاد می شوند. به طور کلی، برای تولید خط های توری پراش دو روش وجود دارد:
- روش خط کشی مکانیکی
- روش هولوگرافیک
روش خط کشی مکانیکی
برای خط کشی مکانیکی توری پراش، دو موتور خط کشی موجود است که در کابین های کنترل شده با آب و هوا قرار می گیرند تا تأثیرات خارجی را در طول فرآیند خط کشی به حداقل برسانند. در این روش، برای صیقل دادن شیارهای موازی توری پراش، از الماس استفاده می شود و توالی شیارها با ایجاد یک شیار و سپس ادامه آن در زیرلایه با یک ثابت توری مشخص (d)، عمود بر جهت شیار به دست می آید. اینکه فرآیند برشی یا غیر برشی استفاده شود، بستگی به تراکم شیار و ماده ای دارد که خط کشی بر روی آن اجرا می شود.
بسترهای ترجیحی انواع شیشه هایی هستند که با یک لایه بازتابنده فلزی پوشانده شده اند، مانند آلومینیوم، طلا یا مس. با این حال، لایه های تک کریستالی و چند کریستالی نیز چندین سال است که مورد خط کشی قرار می گیرند. از آنجایی که شدت نور پراش شده در توری پراش مکانیکی کاملاً به شکل شیار بستگی دارد، باید الماسی متناسب با شکل شیار انتخاب شود. این توری ها به ویژه برای اسپکتروفوتومتر یا اسپکترومترهایی که به وضوح بالا نیاز دارند، بسیار مناسب هستند. درشکل زیر، شماتیک نحوه ساخت گریتینگ به روش مکانیکی نمایش داده شده است.
روش هولوگرافی
با وجودی که گریتینگ های خط کشی شده (به روش مکانیکی) راندمان بالایی داشتند، اما به علت پراکندگی بالا، حساسیت طیفی کمتری از خود نشان می دادند. توری های پراشی هولوگرافیک به منظور کاهش این خطاها طراحی شدند. در این روش، ابتدا بستر توری پراش با یک پوشش مقاوم اپتیکی پوشانده می شود. سپس این پوشش مقاوم نوری، در معرض میدان تداخلی دو پرتو نور لیزر قرار می گیرد. استفاده از تکنیک تداخل سنجی در این مرحله، این اطمینان را می دهند که انحراف جبهه موج همواره کمتر از مقدار مشخص λ/4 باشد.
پس از ایجاد بستر مقاوم نوری، با شستن قسمت های در معرض دید، یک آسودگی سطحی ایجاد می شود و در نهایت با یک پوشش بازتابنده (مانند آلومینیوم یا طلا و گاهی اوقات با یک پوشش محافظ) کاور می شوند. الگوهای تداخلی که برای ثبت در توری پراش هولوگرافیک استفاده می شوند، به شکل یا ابعاد بستر بستگی ندارند و از طریق تداخل دو پرتوی UV برای ایجاد ضریب شکستی با الگوی سینوسی بر روی شیشه اپتیکی تولید می شوند. محورهای این پرتوهای تداخلی، به سمت رأس یا مرکز زیرلایه توری هدایت می گردد. بسته به خصوصیات توری پراش مورد نظر، الگوی تداخل را می توان با دو پرتو همسان، دو منبع نقطه ای تولید شده با عدسی های شیئی یا یک پرتو همسان و یک منبع نقطه ای ایجاد کرد.
یک توری پراش هولوگرافیک با کیفیت خطوط بالا و پاسخ طیفی خوب ولی با بازده بازتاب پایین تر تولید می کند. تصحیح هولوگرافیک در طول تولید توری پراش، می تواند به طور همزمان سطح کانونی را بهینه کرده و انحرافاتی مانند آستیگماتیسم، انحراف کروی و کما را در یک محدوده طیفی وسیع به حداقل برساند. توری های اصلاحشده، دارای شیارهایی با فاصله متغیر و انحناهای متغیر هستند. از این رو، طراحی هولوگرافیک امکان تطبیق بهینه ویژگی های تصویربرداری را با نیازهای خاص دستگاه طیفی فراهم می کند.
از این رو، انواع توری پراش هولوگرافیک برای تصویربرداری از طیف روی آرایه دیودی یا آشکارسازهای دیگر بسیار ایده آل هستند. بنابراین می توان اسپکتروفوتومتر و اسپکترومترهایی مدرن، فشرده و ماژول های طیف سنجی کوچک را با هزینه مناسب تولید کرد. با استفاده از توری پراش هولوگرافیک که دارای ویژگی های اصلاحی می باشد، می توان روشهای جدید و ساده تری برای طراحی سیستم های طیف سنجی طراحی کرد.
کاربردهای رایج توری پراش
انواع مختلف توری پراش (گریتینگ) معمولاً در اسپکتروفتومترهای تک رنگ ساز و چند رنگ ساز و طیف سنج ها استفاده می شوند، اما کاربردهای دیگری مانند رمزگذارهای نوری برای کنترل حرکت با دقت بالا و اندازه گیری جبهه موج نیز مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین آنها در فناوری لیزر برای تولید پرتوهای لیزر با طول موج های بسیار خاص استفاده می شوند که در ارتباطات از راه دور بسیار مفید است، جایی که کابل های فیبر نوری از لیزر برای انتقال داده استفاده می کنند.
از توری پراش می توان برای تولید تصاویر هولوگرافیک در سیستم های اپتیک، با تقسیم یک پرتو لیزر و استفاده از یک قسمت برای روشن کردن یک جسم نیز استفاده کرد، در حالی که قسمت دیگر به عنوان پرتو مرجع استفاده می شود. الگوی تداخل بین دو پرتو، یک تصویر هولوگرافیک از جسم ایجاد می کند.
همچنین، از توری پراش در تلسکوپ ها برای مطالعه نور اجرام سماوی نیز استفاده می شود. ستاره شناسان می توانند ترکیب و دمای ستارگان و کهکشان ها را با تجزیه و تحلیل طیف نور تعیین کنند. بعلاوه، آنها را می توان در ارتباطات نوری برای جداسازی طول موج های مختلف نور استفاده کرد، که امکان انتقال چندین کانال اطلاعات را به طور همزمان از طریق یک کابل فیبر نوری فراهم می کند.
امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده 😍 برای اطلاعات بیشتر از جزئیات عملکرد توری پراش به مقاله "اجزای اصلی در طیف سنج های نوری چه قطعاتی هستند؟" مراجعه کنید. به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما دیدن کنید. در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐
منابع و مراجع
- C. Palmer, Diffraction Grating Handbook
- A. C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet
- Wikipedia
