توری پراش اسپکتروفتومتری

تجزیه و تحلیل تداخل نوری که از دو شکاف عبور می کند، چارچوب نظری تداخل را نشان می دهد و بینشی تاریخی از آزمایش های توماس یانگ به ما می دهد.

با این حال، بیشتر کاربردهای مدرن تداخل شکافی نه تنها از دو شکاف، بلکه از تعداد زیادی شکاف استفاده می کنند که برای اهداف عملی به بی نهایت نزدیک می شوند.

عنصر نوری کلیدی توری پراش اسپکتروفتومتری نامیده می شود که یک ابزار مهم در آنالیز نوری، نه تنها در اسپکترومتری، بلکه در دیگر سیستم های اپتیکی است.

آرایش منظمی از شبکه ها که یا نور را جذب می‌ کنند و یا طول مسیر نوری و در نتیجه، فاز نور فرودی را تغییر می‌ دهند، توری پراش اسپکتروفتومتری نامیده می‌ شوند.

این آرایش منظم است که منجر به پدیده های پراش، تداخل و انحراف نور با توجه به طول موج می­ شود و امکان بررسی ترکیب طیفی نور را فراهم می­ کند.

در حقیقت، توری پراش یک قطعه اپتیکی است که نور را به طول موج های اجزای آن جدا می کند. توری ساختار تناوبی دارد که نور را به پرتوهای متعددی که در جهات مختلف منعکس می کند.

در طبیعت نیز بسیاری از پدیده ها خاصیتی مانند توری پراش را دارند. برای مثال، عقیق استرالیایی یکی از مواردی است که در زوایای مختلف رنگ مختلفی را منعکس می کند.

توری های پراش برای طیف گسترده ای از کاربردها از جمله طیف سنج ها، سایر ابزارهای آنالیزی، مخابرات و سیستم های لیزری عناصری حیاتی هستند.

در این مقاله، نگاهی دقیق به برخی از ویژگی های کلیدی توری پراش اسپکتروفتومتری و اصول فیزیکی مرتبط با آنها خواهیم داشت. در ادامه انواع آنها نیز شرح داده خواهند شد.

تعریف توری پراش اسپکتروفتومتری

توری پراش اسپکتروفتومتری، یک عنصر نوری است که طیف پیوسته ای از امواج الکترومغناطیسی (مثلاً نور سفید) را بر اساس طول موج، به اجزای کوچک تر تقسیم می کند (پراکنده می کند).

انواع مختلف توری پراش اسپکتروفتومتری، از یک سری خطوط یا شیارهای موازی تشکیل شده اند که با یک فاصله ثابت از هم جدا شده و در یک سطح صاف حک شده اند.

ساده ترین نوع توری پراش اسپکتروفتومتری، توری با تعداد زیادی شکاف موازی و با فاصله یکسان است اما ساختار توری های پراش بسته به کاربرد مورد نظر و فرآیند ساخت مورد استفاده برای ایجاد آنها می تواند متفاوت باشد.

فاصله بین خطوط یا شیارهای روی یک توری پراش اسپکتروفتومتری، برای تعیین خواص طیفی دستگاه های اسپکتروفتومتر بسیار مهم و کلیدی است.

فاصله خطوط معمولاً بر حسب واحد نانومتر (nm) یا میکرومتر (μm) اندازه‌ گیری می‌ شود و به آن دوره تناوب توری یا گام می‌ گویند.

زاویه پراش نور توسط توری، هم به طول موج نور و هم به دوره تناوب توری بستگی دارد. رابطه بین زاویه پراش، طول موج نور و دوره با معادله زیر توصیف می شود:

nλ = d(sinθ + sinφ)

که در آن n مرتبه پراش، λ طول موج نور فرودی، d دوره توری، θ زاویه تابش و φ زاویه پراش است.

برای دریافت اطلاعات جزئی تر، برای بحث در مورد نحوه عملکرد توری پراش، لطفاً به مقاله کاربردی "توری پراش چیست؟" مراجعه کنید.

عملکرد کلی توری های پراش شبیه به عملکرد منشورهای پراکنده کننده است، اگرچه منشور به جای پراش، طول موج ها را از طریق پدیده شکست نور برحسب طول موج جدا می کند.

انواع توری پراش اسپکتروفتومتری

بر اساس نوع عملکرد و برهمکنش توری با نور تابشی، به طور کلی دو نوع اصلی از توری پراش وجود دارد:

• توری پراش اسپکتروفتومتری نوع عبوری
• توری پراش اسپکتروفتومتری نوع بازتابی

هر دو گریتینگ بازتابی و عبوری را می توان به توری های خط دار یا هولوگرافیک تقسیم کرد که در نحوه ایجاد پروفایل شیار متفاوت هستند.

توری پراش عبوری

انواع توری پراش اسپکتروفتومتری عبوری، با برش یک سری خطوط موازی بر روی یک ماده شفاف مانند شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند.

عملکرد این توری ها به گونه ای است که نور از شبکه گریتینگ عبور کرده و بسته به فاصله بین خطوط در زوایای مختلفی پراکنده می شود.

توری نوع بازتابی

از سوی دیگر، توری های نوع بازتابی با پوشاندن یک زیرلایه نازک از فلز (یک لایه بازتاب کننده) و سپس حک کردن یک سری شیار در سطح فلز ساخته می شوند.

عملکرد این گریتینگ ها به گونه ای است که نور از سطح فلز منعکس می شود و به روشی مشابه توری های عبوری در زوایای مختلف پراکنده می شود.

در طبیعت نیز برخی از پروانه ها به صورت یک توری پراش بازتابی عمل می کنند و رنگ های مختلفی را در زوایای مختلف از خود منعکس می کنند.

به طور کلی، به دلیل طیف گسترده ای از پارامترهای طراحی که می تواند برای کاربردهای خاص بهینه شود، ساختار توری های پراش می تواند بسیار پیچیده باشد.

برخی از ساختارها، با ثبت یک الگوی تداخل هولوگرافیک در یک ماده حساس به نور مانند ژلاتین دی کرومیته یا فتوپلیمر ساخته می شوند که ساختار توری به دست آمده از این روش، سه بعدی است و بازدهی بالا و نور پراکنده کمی را ارائه می دهد.

توری های پلاریزاسیون نیز وجود دارند که برای پراش نور بر اساس حالت قطبش آن طراحی شده اند و اغلب در طیف سنجی و ارتباطات نوری استفاده می شوند.

برخی نیز دارای فاصله شیارهای متفاوتی هستند که در طول توری تغییر می کند. این عامل، یک پراکندگی ایجاد می کند که با طول موج متفاوت است و آنها را برای کاربردهایی مانند فشرده سازی پالس در لیزرهای فوق سریع مناسب می کند.

انواع توری پراش اسپکتروفتومتری بر اساس پروفایل شیارها

پروفایل شیارهای یک توری پراش اسپکتروفتومتری، بسته به نیاز و روش تولید می تواند اشکال مختلفی داشته باشد.

با توجه به نوع مقطع عرضی شیارها، رایج ترین توری ها به سه دسته عمده زیر تقسیم می شوند:

1. توری های بلیز با شیارهای دندانه اره ای
2. توری های با شیارهای سینوسی
3. توری های لمینار با شیارهای مربعی

توری پراش اسپکتروفتومتری نوع بلیز (Blaze)

توری های پراش بلیز انواعی هستند که به منظور افزایش میزان بازده پراش نور در یک جهت خاص طراحی شده اند. آنها با راندمان پراش بالا در یک نظم طیفی خاص یا محدوده طول موجی مشخص می شوند که به آن "طول موج بلیز" می گویند.

در حقیقت، توری پراش نوع بلیز طوری طراحی شده است تا حداکثر توان نوری را در مرتبه پراش مورد نظر متمرکز کند و در عین حال توان باقیمانده را در سایر مرتبه ها، به ویژه مرتبه صفر، به حداقل برساند.

توری های بلیز با بهره برداری از تداخل بین امواج نوری که از شیارهای توری منعکس می شوند، عمل می کنند و اندازه و فاصله شیارها تعیین کننده زاویه پراش طول موج های مختلف نور است.

این توری ها را برای مثال می توان در پیکربندی طیف سنجی Littrow استفاده کرد که در آن زاویه بلیز به گونه ای انتخاب می شود که زاویه پراش و زاویه فرود یکسان باشند.

توری پراش بلیز، دارای پروفایل "دندانه اره ای" است. در این مورد، فاصله شیار توری (دوره توری)، d، بر اساس عرض هر دندان مثلثی (پله ها) تعریف می شود.

زاویه شیب هر پله نسبت به سطح توری به عنوان زاویه بلیز شناخته می شود. در حقیقت زاویه بلیز، زاویه ای است که در آن بیشترین مقدار نور در جهت مورد نظر پراکنده می شود.

در شکل بالا، نور تابیده شده به توری انعکاسی در زاویه­ α با طول­ موج λ، در زاویه­ β پراشیده می­ شود که α و β نسبت به خط عمود بر سطح دندانه (بلیز) سنجیده می­ شوند.

لازم به ذکر است که معمولاً زاویه ­های در خلاف جهت عقربه­ های ساعت مثبت و زاویه­ های در جهت عقربه ­های ساعت، منفی هستند.

توری­ پراش اسپکتروفتومتری نوع بلیز، راندمان بالایی را در یک محدوده­ طول موجی خاص نشان میدهد و برای جلوگیری از انحراف نور، یک پوششی ضد انعکاسی در پشت زیرلایه­ توری رسوب داده می­شود که در هنگام قرار گرفتن در معرض تابش، موج همگرا شود.

توری­ های بلیز نوع هولوگرافیک، انحراف نوری کمتری دارند و در مقایسه با توری­ های تولید شده به روش خط ­کشی مکانیکی، کاملاً عاری از خطاهای خط­ کشی، از جمله انحراف توری هستند.

یکی دیگر از مزایای ارائه شده توسط این توری­ ها این است که می­ توان به ویژگی­ های تصویربرداری خاصی دست یافت که با استفاده از توری­ های مکانیکی امکان پذیر نیست.

توری پراش اسپکتروفتومتری نوع لمینار (Laminar)

توری های پراش نوع لمینار دارای یک سری شیارهای موازی با فاصله مساوی هستند که بر روی یک زیرلایه ای از مواد مختلف مانند شیشه یا فلز حک می شوند.

هنگامی که امواج نور از توری لمینار عبور می کنند، توسط شیارها پراکنده می شوند، با یکدیگر تداخل پیدا کرده و در نتیجه الگویی از نقاط روشن به نام الگوی پراش ایجاد می شود.

این توری های چند لایه، نه تنها بر حسب فاصله شیار و عمق پروفایل، بلکه بر اساس نسبت عرض سطح به عرض شیار (V=a/b) نیز تعریف می شوند.

حداکثر شدت در مرتبه اول برای طول موج بلیز λ = 4h است و به طور خاص، اگر ارتفاع پله h = λ/4 باشد، زمانی که a و b یکسان باشند، مرتبه صفر ناپدید می شود.

یک تفاوت عمده آنها با توری های سینوسی و بلیز این است که می توان با بهینه سازی نسبت V=a/b، از برخی مرتبه های پراش جلوگیری کرد که منجر به راندمان پراش بسیار بالا می شود.

به علاوه، یک توری پراش اسپکتروفتومتری نوع لمینار معمولاً انحراف نور کمتری نسبت به توری های دیگر ایجاد می کند اما بازده پراش مرتبه های زوج توری های لمینار با شیار مربعی، نصف بازده پراش توری های دندانه اره ای و سینوسی است.

این توری ها بیشتر برای محدوده اشعه ایکس ایمن (نرم) با بازده بالا مناسب هستند. شرکت Shimadzu توری های پراش لمینار از نوع لایه ای را برای طیف سنجی در محدوده ای از ناحیه فرابنفش خلأ تا ناحیه نرم اشعه ایکس توسعه داده است.

توری پراش اسپکتروفتومتری نوع سینوسی (Sinusoidal)

توری پراش اسپکتروفتومتری نوع سینوسی دارای مشخصات شیار متقارن و سینوسی است و به همین دلیل، با تابش نور متعامد، پراش مثبت یا منفی با شدتی یکسان صورت می گیرد.

به همین دلیل است که این نوع از توری های پراش، به عنوان تفکیک کننده های متقارن پرتو نور بسیار مفید هستند.

با توجه به چگالی شیار معین در این نوع از توری های پراش، بازده پراش برحسب عمق پروفایل تعیین می شود.

از آنجایی که بازده پراش به شدت به قطبش نور فرودی نسبت به شیارهای توری بستگی دارد، برای نور غیرقطبیده، معمولاً بازده پراش کمتری در مقایسه با توری های بلیز به دست می آید.

پروفایل سینوسی این توری ها، امکان کنترل دقیق تری بر الگوی پراش تولید شده را فراهم می کند و در نتیجه وضوح بالاتر و انعطاف پذیری بیشتری در انتخاب طول موج ایجاد می کند.

علاوه بر این، با توجه به طیف گسترده اعداد شیار احتمالی، آنها را می توان از مواد مختلفی از جمله شیشه، فلز و پلیمر ساخته و برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب است.

ساختار کلی توری پراش اسپکتروفتومتری

توری های پراش اسپکتروفتومتری را می توان بر اساس شکل کلی آنها نیز به انواع مختلفی طبقه بندی کرد که دو نوع رایج آنها عبارت اند از:

• توری پراش اسپکتروفتومتری مقعر
• توری پراش اسپکتروفتومتری مسطح (تخت)

توری پراش اسپکتروفتومتری تخت

یک توری مسطح، دارای یک سطح تخت با شیارهای موازی است که در فواصل منظم بر روی آن حک شده اند. پس از فرود نور بر روی توری، هر طول موج با زاویه کمی متفاوت پراش می شود و طیفی از رنگ ها را ایجاد می کند.

ساخت این نوع از توری ها، بسیار آسان است و دقت قابل قبولی را در تفکیک و اندازه گیری های طول موج ارائه می دهند.

توری های پراش تخت معمولاً برای کاربردهایی توصیه می شود که به وضوح بالا، راندمان بالا و پوشش طیفی از UV تا IR مانند ابزار دقیق طیف سنجی با پیکربندی Czerny Turner نیاز دارند.

توری پراش اسپکتروفتومتری مقعر

توری پراش اسپکتروفتومتری نوع مقعر به شبکه‌ ای گفته می‌ شود که صرف نظر از الگوی شیار یا دیگر مشخصات آن، یا مانتی که در آن استفاده می‌ شود، سطح آن مقعر است.

یک توری مقعر دارای یک سطح منحنی است که معمولاً به شکل یک بخش کروی یا سهمی است. با فرود نور بر روی توری، توسط شیارهای روی سطح منحنی پراکنده شده و بر روی یک نقطه خاص (نقطه کانونی) متمرکز می شود.

به دلیل ایجاد یک طیف متمرکز، توری های مقعر وضوح طیفی بالا و جمع آوری نور کارآمدتری را ارائه می دهند و انحنای توری علاوه بر افزایش شدت نور، به کاهش انحرافات و بهبود وضوح خطوط طیفی نیز کمک می کند.

در حقیقت، توری پراش مقعر خواص پراکندگی و تصویربرداری را در یک عنصر واحد ترکیب می کند و آنها را برای سیستم های طیف سنجی مدرن ایده آل می کند.

بر خلاف توری های مقعر کلاسیک، با استفاده از توری های هولوگرافیک که دارای ویژگی های اصلاحی هستند (شیارهای متغیر)، موقعیت خطوط کانونی را در طیف وسیعی تنظیم کرد.

این کار، منجر به روش های جدید و ساده‌ تر برای طراحی سیستم‌ های اسپکتروفتومتری میگردد و امکان استفاده از توری های با دیافراگم بالا با زوایای پراش بزرگ را فراهم می کند.

توری پراش اسپکتروفتومتری مقعر بهتر است یا تخت؟

مزیت یک  نسبت به یک توری تخت، توانایی آن در ایجاد خطوط طیفی تیز بدون کمک عدسی یا آینه اضافی است. در مقایسه با گریتینگ های تخت، توری های مقعر یک مزیت مهم را ارائه می دهند: آنها با ایجاد خطوط طیفی تیز، ویژگی های متمرکز کردن نور را نیز ارائه می دهند.

به عبارت دیگر، با استفاده از توری های پراش مقعر در پیکربندی دیگر نیازی به استفاده عناصر اپتیکی مانند عدسی های متمرکز کننده نیست.

این ویژگی قابل توجه باعث می شود که توری های پراش مقعر در نواحی طول موجی فروسرخ و فرابنفش بسیار مفید باشند.

سخن پایانی

اسپکتروفتومترهای مدرن امروزی، معولاً از یک توری پراش برای تقسیم نور ورودی به طول موج‌ های تشکیل‌ دهنده آن استفاده می‌ کنند.

انواع مختلفی از توری پراش اسپکتروفتومتری موجود است، مانند بازتابی یا عبوری، تخت یا مقعر، نوع تولیدی به روش های خط کشی یا هولوگرافیک.

توری های پراش معمولاً برای تفکیک طول موجی در سیستم های طیف سنجی و اپتیکی استفاده می شوند. چیزی که آنها را در اسپکتروفتومتری ویژه کرده است این واقعیت است که آنها الگوی تیزتری نسبت به شکاف های دوتایی تشکیل می دهند.

یعنی حاشیه‌ های روشن‌ شان باریک‌ تر و روشن‌ تر است در حالی که نواحی تاریک‌ شان نیز تیره‌ تر است.

توری های پراش اجزای کلیدی تک رنگ سازها و چند رنگ سازها هستند که برای مثال در تصویربرداری نوری استفاده می شوند. امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده است 😍

برای اطلاعات بیشتر از جزئیات عملکرد توری پراش می توانید به مقاله "اجزای اصلی در طیف سنج های نوری" 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

•  C. Palmer, Diffraction Grating Handbook
• A. C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet
• Wikipedia
• Shimadzu