2 روش ساخت توری پراش اسپکترومتری

روش های رایج برای ساخت توری پراش

توی پراش چیست و چگونه عمل می کند؟

در یک اسپکتروفتومتر، توری پراش برای تقسیم نور به طول موج‌ های مجزا استفاده می‌ شود و هنگامی که نور از آن عبور می کند، به مجموعه ای از پرتوها پراکنده می شود که بسته به طول موج آنها در زوایای مختلف حرکت می کنند.

توری پراش، یکی از مهم ترین قطعات یک دستگاه اسپکتروفتومتر 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 (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 اسپکتروفتومتر تعیین می گردد. از این رو، انتخاب یک توری پراش مناسب، یک عامل کلیدی در بهینه سازی دستگاه اسپکتروفتومتر، برای حصول بهترین نتایج طیفی در یک کاربرد خاص است.

شکل1- شماتیک کلی از نقش توری پراش در یک سیستم اسپکتروفتومتری

مکانیزم کلی عملکرد 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 که توسط اصل هویگنس-فرنل توضیح داده می شود.

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.

شکل 2- مرتبه های پراش

   معادله­ توری پرتش به صورت زیر بیان می­ شود:

N.m.λ = sin(α) + sin(β)

که 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.

شکل 3- شماتیک توری پراش و مرتبه های آن

مرتبه پراش یک عدد بدون بعد است که تعداد زیر دسته ها ی 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.

انواع کلی ساخت توری های پراش

چگالی شیار یا چگالی خط، برای توصیف وضوح توری پراش است که از واحد خط بر میلی‌ متر استفاده می‌شود و این خطوط با تکنیک های متفاوتی ایجاد می شوند.

به طور کلی، برای تولید خط های توری پراش دو نوع 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 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 در 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 اسپکتروفتومترهایی که به وضوح بالا نیاز دارند، بسیار مناسب هستند.

شکل 4- شماتیک ساخت توری پراش به روش خط کشی مکانیکی

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 پراش 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.

شکل 5- شماتیک کلی ساخت توری پراش به روش هولوگرافیک

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 میکند و برای تصویربرداری از طیف روی آرایه دیودی یا آشکارسازهای دیگر ایده آل هستند.

بنابراین می‌توان اسپکتروفتومترهایی 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.

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 محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و 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