۲۰ مرداد ۱۴۰۳

انواع توری پراش: بلیز، سینوسی، لمینار، تخت و مقعر

انواع توری پراش در اسپکتروفتومتر و طیف سنج؛ مقایسه توری بازتابی و عبوری، بلیز، سینوسی و لمینار، تخت و مقعر، اشل و هولوگرافیک حجمی و راهنمای انتخاب توری مناسب.

توری پراش یکی از مهم ترین قطعات اسپکتروفتومترها و طیف سنج هاست که نور را به طول موج های تشکیل دهنده آن تفکیک می کند. ویژگی مهم توری پراش نسبت به دو شکاف یانگ این است که الگوی بسیار تیزتری ایجاد می کند؛ یعنی نوارهای روشن آن باریک تر و روشن تر و نواحی تاریک آن تیره تر هستند. به همین دلیل طول موج های بسیار نزدیک به هم را بهتر از هم جدا می کند.

توری ها از نظر نحوه برهمکنش با نور، شکل مقطع شیارها، شکل سطح و روش ساخت انواع مختلفی دارند و انتخاب نوع مناسب، نقش کلیدی در عملکرد دستگاه دارد. در این مقاله با انواع توری پراش و ویژگی های هر کدام آشنا می شوید. برای آشنایی با پدیده پراش، معادله توری و روش های ساخت توری ها، ابتدا مقاله توری پراش چیست را بخوانید.

یادآوری: توری پراش چگونه کار می کند؟

توری پراش سطحی با شیارهای موازی و هم فاصله است. این شیارها یا بخشی از نور را جذب می کنند (توری دامنه ای) یا طول مسیر و در نتیجه فاز نور را تغییر می دهند (توری فازی). امواج پراشیده شده از شیارها با هم تداخل می کنند و هر طول موج فقط در جهت های مشخصی تداخل سازنده دارد. رابطه زاویه ها با معادله توری بیان می شود:

m × λ = d × (sin α + sin β)

که m مرتبه پراش، λ طول موج، d دوره تناوب یا فاصله شیارها، α زاویه تابش و β زاویه پراش است. زاویه ها نسبت به خط عمود بر سطح توری سنجیده می شوند.

عملکرد توری پراش شبیه منشور است، با این تفاوت که منشور نور را با شکست تفکیک می کند، اما توری با پراش و تداخل.

توری پراش در طبیعت

برخی ساختارهای طبیعی نیز رفتاری مشابه توری پراش دارند و رنگ های آنها از ساختار ایجاد می شود، نه از رنگدانه. برای مثال:

سنگ عقیق اپال از کره های بسیار ریز و منظم سیلیس تشکیل شده که نور را پراش می دهند و در زاویه های مختلف رنگ های متفاوتی نشان می دهند.
بال برخی پروانه ها و پر برخی پرندگان ساختارهای منظم بسیار ریزی دارند که از طریق تداخل و پراش، رنگ های درخشان و متغیر با زاویه ایجاد می کنند.

انواع توری پراش بر اساس برهمکنش با نور

توری پراش بازتابی

در توری بازتابی، شیارها روی سطحی بازتابنده ایجاد شده اند. معمولا یک زیرلایه شیشه ای با یک لایه فلزی، مانند آلومینیوم برای نواحی فرابنفش و مرئی یا طلا برای ناحیه فروسرخ، پوشانده شده و شیارها روی این لایه ایجاد شده اند. نور پس از بازتاب از سطح، در زاویه های مختلف پراشیده می شود. بیشتر توری های مورد استفاده در اسپکتروفتومترها از این نوع هستند.

توری پراش عبوری

در توری عبوری، شیارها روی یک ماده شفاف مانند شیشه یا پلیمر ایجاد شده اند و نور هنگام عبور از توری پراشیده می شود. توری های عبوری در طیف سنج های فشرده، دستگاه های آموزشی و برخی سیستم های تصویربرداری طیفی استفاده می شوند.

هر دو نوع بازتابی و عبوری می توانند به روش خط کشی مکانیکی یا هولوگرافیک ساخته شوند.

انواع توری پراش بر اساس شکل مقطع شیار

شکل مقطع شیار تعیین می کند که نور چگونه بین مرتبه های مختلف پراش تقسیم شود و در نتیجه بازده توری را مشخص می کند. سه نوع رایج عبارت اند از:

نوع توری	شکل شیار	ویژگی اصلی	روش ساخت رایج
بلیز	دندانه اره ای	بیشترین بازده در یک مرتبه و طول موج مشخص	خط کشی مکانیکی یا حکاکی یونی
سینوسی	موجی متقارن	نور سرگردان کم، تقسیم متقارن نور	هولوگرافیک
لمینار	مستطیلی	حذف برخی مرتبه ها و بازده خوب در اشعه ایکس نرم	هولوگرافیک و حکاکی

توری پراش بلیز

توری بلیز طوری طراحی شده است که بیشترین توان نوری را در یک مرتبه پراش مشخص، معمولا مرتبه اول، متمرکز کند و نور کمتری را به سایر مرتبه ها، به ویژه مرتبه صفر که هیچ تفکیکی ایجاد نمی کند، بفرستد.

شیارهای توری بلیز مقطع دندانه اره ای دارند. هر دندانه مانند یک آینه کوچک با زاویه مشخص عمل می کند. زاویه بین سطح هر دندانه و سطح کلی توری، زاویه بلیز نام دارد. وقتی جهت بازتاب آینه ای از سطح دندانه ها با جهت پراش یک طول موج در یک مرتبه منطبق باشد، بازده در آن طول موج بیشینه می شود. به این طول موج، طول موج بلیز گفته می شود. فاصله شیار (d) برابر با عرض هر دندانه است.

پیکربندی لیترو: در این پیکربندی، توری طوری قرار می گیرد که نور پراشیده شده در همان مسیر نور تابیده بازگردد (α = β). در این حالت، شرط بلیز ساده می شود:

m × λ = 2d × sin θB

که θB زاویه بلیز است. پیکربندی لیترو در لیزرهای قابل تنظیم و برخی طیف سنج ها استفاده می شود.

ویژگی ها:

بازده بسیار بالا در اطراف طول موج بلیز
بازده در طول موج های دور از طول موج بلیز کاهش می یابد؛ بنابراین طول موج بلیز باید متناسب با محدوده کاری دستگاه انتخاب شود.
توری های بلیز معمولا با خط کشی مکانیکی ساخته می شوند. توری های بلیز هولوگرافیک که با حکاکی یونی ساخته می شوند، خطاهای خط کشی را ندارند و نور سرگردان کمتری دارند.

توری پراش سینوسی

توری سینوسی شیارهایی با مقطع موجی و متقارن دارد و معمولا به روش هولوگرافیک ساخته می شود. چون شیارها متقارن هستند، وقتی نور عمود بر توری بتابد، مرتبه های مثبت و منفی با شدت یکسان پراشیده می شوند. به همین دلیل این توری ها به عنوان تقسیم کننده های متقارن پرتو نیز کاربرد دارند.

بازده توری سینوسی به عمق شیار و قطبش نور بستگی دارد. برای نور غیرقطبیده، بازده آن معمولا از توری بلیز کمتر است. در مقابل، توری های سینوسی هولوگرافیک نور سرگردان و خطوط کاذب بسیار کمی دارند و در محدوده طول موج گسترده تری رفتار یکنواخت تری نشان می دهند. این توری ها را می توان روی زیرلایه های شیشه ای، فلزی یا پلیمری ساخت.

توری پراش لمینار

توری لمینار شیارهایی با مقطع مستطیلی دارد. این توری با سه پارامتر توصیف می شود: فاصله شیار، عمق شیار (h) و نسبت عرض سطح بالایی به عرض شیار.

ویژگی جالب توری لمینار این است که با انتخاب مناسب این پارامترها، می توان برخی مرتبه ها را حذف کرد:

اگر عرض سطح بالایی و عرض شیار برابر باشند، مرتبه های زوج پراش تقریبا حذف می شوند.
اگر عمق شیار برابر با یک چهارم طول موج باشد (h = λ/4)، نور بازتابی از کف و بالای شیار با اختلاف فاز نیم موج به هم می رسند و مرتبه صفر حذف می شود. در این حالت، بیشترین بازده در مرتبه اول برای طول موج λ = 4h به دست می آید.

حذف مرتبه های ناخواسته، همپوشانی مرتبه ها و نور سرگردان را کاهش می دهد. توری های لمینار به ویژه در طیف سنجی فرابنفش خلأ و اشعه ایکس نرم کاربرد دارند، جایی که توری های بلیز بازده کافی ندارند.

انواع توری پراش بر اساس شکل سطح

توری پراش تخت

توری تخت سطح مسطحی دارد. ساخت آن نسبتا ساده است و دقت خوبی در تفکیک طول موج ها ارائه می دهد. اما توری تخت فقط نور را تفکیک می کند و برای موازی کردن نور ورودی و کانونی کردن نور تفکیک شده، به آینه ها یا عدسی های جداگانه نیاز دارد.

توری های تخت در دستگاه هایی که به تفکیک بالا، بازده بالا و انعطاف در محدوده طیفی از فرابنفش تا فروسرخ نیاز دارند، رایج هستند؛ مانند طیف سنج ها و تک رنگ سازهای با چیدمان چرنی ترنر که از دو آینه مقعر همراه با توری تخت استفاده می کنند. اسپکتروفتومترهای بلورآزما نیز از این چیدمان استفاده می کنند.

توری پراش مقعر

توری مقعر سطحی منحنی، معمولا کروی، دارد. این توری علاوه بر تفکیک نور، آن را کانونی نیز می کند. بنابراین در یک قطعه واحد، کار توری و آینه های کانونی کننده را انجام می دهد.

توری مقعر کلاسیک: در توری های مقعر خراشی کلاسیک، شیارها هم فاصله هستند. اگر شکاف ورودی، توری و آشکارساز روی دایره ای به نام دایره رولند قرار گیرند، طیف به خوبی کانونی می شود. اما این توری ها ابیراهی هایی مانند آستیگماتیسم دارند و طیف روی یک سطح منحنی کانونی می شود که با آشکارسازهای تخت سازگار نیست.

توری مقعر هولوگرافیک با اصلاح ابیراهی: در این توری ها، شیارها فاصله و انحنای متغیر دارند که در فرایند ساخت هولوگرافیک طراحی می شوند. با این روش می توان ابیراهی ها را کاهش داد و طیف را روی یک سطح تخت کانونی کرد که برای آشکارسازهای آرایه ای ایده آل است. این توری ها امکان طراحی طیف سنج های فشرده با دهانه بزرگ و زاویه های پراش بزرگ را فراهم می کنند.

توری مقعر یا تخت؟

انتخاب بین این دو به کاربرد و چیدمان اپتیکی دستگاه بستگی دارد:

توری مقعر: تعداد قطعات اپتیکی کمتر، دستگاه فشرده تر و بازتاب های کمتر. کاهش تعداد سطوح بازتابنده به ویژه در ناحیه فرابنفش خلأ، که هر بازتاب بخش زیادی از نور را تلف می کند، اهمیت زیادی دارد.
توری تخت: انعطاف بیشتر در طراحی، امکان تعویض توری و دستیابی به تفکیک بالا با چیدمان هایی مانند چرنی ترنر.

ویژگی	توری تخت	توری مقعر
کانونی کردن نور	ندارد؛ به آینه یا عدسی نیاز دارد	دارد
تعداد قطعات اپتیکی	بیشتر	کمتر
ابعاد دستگاه	بزرگ تر	فشرده تر
انعطاف در طراحی	بیشتر	کمتر
کاربرد رایج	چیدمان چرنی ترنر	طیف سنج های فشرده و فرابنفش خلأ

انواع خاص توری پراش

توری اشل: شیارهای کم با زاویه تند دارد و در مرتبه های بسیار بالا کار می کند. قدرت تفکیک آن بسیار بالاست و در طیف سنج های نشری با تفکیک بالا و اخترشناسی استفاده می شود. برای آشنایی بیشتر، مقاله طیف سنجی نشری را بخوانید.
توری هولوگرافیک حجمی: الگوی تداخل لیزر در یک ماده حساس به نور، مانند ژلاتین دی کرومات یا فتوپلیمر، ثبت می شود و به صورت تغییرات تناوبی ضریب شکست درون ماده در می آید. این توری ها عبوری هستند، ساختاری سه بعدی دارند و بازده بالا و نور سرگردان کمی ارائه می دهند.
توری قطبشی: نور را بر اساس حالت قطبش آن پراش می دهد و در طیف سنجی و ارتباطات نوری کاربرد دارد.
توری با فاصله شیار متغیر: فاصله شیارها در طول توری تغییر می کند. این توری ها برای اصلاح ابیراهی و فشرده سازی پالس در لیزرهای فوق سریع استفاده می شوند.

راهنمای انتخاب توری پراش

هنگام انتخاب توری پراش برای یک دستگاه، این پارامترها را در نظر بگیرید:

محدوده طول موج: توری باید در محدوده کاری بازده کافی داشته باشد.
چگالی شیار: هرچه بیشتر باشد، پاشندگی و تفکیک بیشتر است، اما محدوده طول موج همزمان کوچک تر می شود.
طول موج بلیز: باید در میانه یا ناحیه مهم محدوده کاری باشد.
نوع ساخت: خراشی برای بیشترین بازده و هولوگرافیک برای کمترین نور سرگردان
شکل سطح: تخت برای چیدمان های کلاسیک و مقعر برای دستگاه های فشرده
پوشش: آلومینیوم برای فرابنفش و مرئی و طلا برای فروسرخ
ابعاد: توری بزرگ تر، قدرت تفکیک و جمع آوری نور بیشتری دارد.

برای آشنایی با نحوه قرار گرفتن توری پراش در کنار سایر اجزای دستگاه، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

سوالات متداول

انواع توری پراش کدام اند؟

بر اساس برهمکنش با نور: بازتابی و عبوری؛ بر اساس شکل شیار: بلیز، سینوسی و لمینار؛ بر اساس شکل سطح: تخت و مقعر؛ و انواع خاص مانند اشل و هولوگرافیک حجمی.

توری بلیز چیست؟

توری با شیارهای دندانه اره ای که بیشترین نور را در یک مرتبه و طول موج مشخص، به نام طول موج بلیز، متمرکز می کند.

مزیت توری مقعر نسبت به توری تخت چیست؟

توری مقعر همزمان نور را تفکیک و کانونی می کند و به آینه یا عدسی جداگانه نیاز ندارد؛ بنابراین دستگاه فشرده تر می شود.

توری لمینار چه کاربردی دارد؟

با حذف برخی مرتبه های پراش، در طیف سنجی فرابنفش خلأ و اشعه ایکس نرم بازده خوبی ارائه می دهد.

برای ناحیه فروسرخ چه توری مناسب است؟

توری بازتابی با پوشش طلا و طول موج بلیز در ناحیه فروسرخ.

جمع بندی

توری های پراش بر اساس نحوه برهمکنش با نور به انواع بازتابی و عبوری، بر اساس شکل مقطع شیار به انواع بلیز، سینوسی و لمینار و بر اساس شکل سطح به انواع تخت و مقعر تقسیم می شوند. توری بلیز بیشترین بازده را در یک طول موج مشخص دارد، توری سینوسی نور سرگردان کمی دارد و توری لمینار با حذف برخی مرتبه ها برای اشعه ایکس نرم مناسب است. توری تخت انعطاف بیشتری در طراحی دارد و توری مقعر همزمان نور را تفکیک و کانونی می کند. انواع خاصی مانند توری اشل، هولوگرافیک حجمی و قطبشی نیز برای کاربردهای ویژه وجود دارند. انتخاب توری مناسب به محدوده طول موج، تفکیک مورد نیاز، بازده و چیدمان اپتیکی دستگاه بستگی دارد.

برای آشنایی با اسپکتروفتومترهای بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.