توی پراش چگونه عمل می کند؟

در یک دستگاه اسپکتروفوتومتر، توری پراش برای تفکیک نور به طول موج‌ های مجزا و کوچک تر استفاده می‌ شود (مشابه با عملکرد منشور).

هنگامی که نور از یک توری پراش عبور می کند، به مجموعه ای از پرتوهای باریک پراکنده می شود که بسته به طول موج آنها در زوایای مختلف حرکت می کنند.

توری پراش، یکی از مهم ترین قطعات یک دستگاه اسپکتروفوتومتر 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) در پشت توری پراش، قابل تشخیص هستند.

با تنظیم زاویه تابش نور و فاصله شکاف ورودی از توری پراش، محدوده طول موجی و رزولوشن یک دستگاه اسپکتروفوتومتر 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 شیشه 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 (چگالی خط).

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.

این پراکندگی توسط 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 است.

موجک‌ های ثانویه که از نقاط مختلف سرچشمه می‌ گیرند متقابلاً تداخل دارند و مجموع این موجک های کروی، یک جبهه موج جدید را تشکیل می دهد. 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 شوند 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 بر 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 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 کاملاً به شکل شیار بستگی دارد، باید الماسی متناسب با شکل شیار انتخاب شود. این توری­ ها به ویژه برای اسپکتروفوتومتر هایی که به وضوح بالا نیاز دارند، بسیار مناسب هستند.

روش هولوگرافی

با وجودی که توری های خط کشی شده 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 نوری پوشانده می شود. سپس این مقاوم نوری، در معرض میدان تداخلی دو پرتو نور لیزر قرار می گیرد.

بازرسی های تداخل سنجی 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 ندارد 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.

این روش، یک توری پراش با کیفیت خطوط بالا و پاسخ طیفی خوب ولی با بازده بازتاب پایین تر فراهم 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 هایی مدرن، فشرده و ماژول‌ های طیف‌ سنج 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.

سخن پایانی

انواع مختلف توری پراش معمولاً در تک رنگ ها 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 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.

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.

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

1.  C. Palmer, Diffraction Grating Handbook
2. A. C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet
3. Wikipedia