V.Дифракционные решетки и их применение.

Основное свойство дифракционной решетки – способность раскладывать падающий на неё пучок света по длинам волн, поэтому она используется в качестве диспергирующего элемента в спектральных при­борах.Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то дифракционная решетка называется плоской, если на вогнутую (обыч­но сферическую) поверхность – вог­нутой. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. У отража­тельных дифракционных решеток штрихи наносятся на зеркальную (обычно металличе­скую) поверхность, и наблюдение ве­дется в отраженном свете. У про­зрачных дифракционных решеток штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки и наблюдение ве­дётся в проходящем свете. В современных спектральных приборах применяются главным образом отражательные дифракционные решетки.

При падении на дифракционную решетку монохроматической волны на экране получается дифракционный спектр с определенным количеством разложения (спектров) m.

Если на дифракционную решетку падает излучение сложного спектрального состава, то для каждой длины волны получится свой набор спектральных линий. Относительная интенсивность ли­ний определяется функцией распреде­ления энергии от отдельной щели.

Основными характеристиками дифракционной решетки является угловая дисперсия и разрешающая способ­ность. Угловая дисперсияΔφ/Δλ, характеризующая угловую ши­рину спектра, для данной λ не за­висит от параметров решетки, а зависит только от угла дифракции φ:

,

где m – порядок спектра,

d – постоянная решетка.

Разрешающая способностьRизмеряется отношением λ к наименьшему интервалу длин волн Δλ, который ещё может разделить решётка:

,

где N – число штрихов дифракционной решетки,

L– ширина всей дифракционной решетки.

При заданных углах Rможет быть повышена только за счётL. Дифракционная решетка даёт несколько налагающихся друг на друга спектров различных порядков. Максимальный интервал длин волн, который можно наблюдать без переналожения, называетсясвободной спектральной областью:

,

где λ – минимальная длина волны спектрального интервала.

Дифракционные решетки, применяемые для работы в различных областях спектра, отличаются размерами, формой, материалом поверхности, профилем штрихов и их частотой (от 6000 штрих/мм в рентгеновской до 0,25 штрих/мм в ИК).

Большинство современных дифракционных решеток имеют штрихи ступенчатого профиля, позволяющие сконцентрировать основную часть падающей энергии в направлении какого-либо одного ненулевого порядка.

Схема образования спектров с по­мощью вогнутой дифракционной решётки.

Для УФ и видимой областей наиболее типичны дифракционные решетки, имеющие от 300 до 1200 штрих/мм. Штрихи этих дифракционных решеток выполняют в тонком слое алюминия, предварительно нанесённом на стек­лянную поверхность испарением в вакууме. Дифракционные решетки в вакуумной УФ области изготавливаются на стеклянных поверхностях. В этой области незаменимы вогнутые отражательные дифракционные решётки, выполняющие одновременно роль дифракционной решетки и собирающей линзы. Если поместить вогнутую дифракционную решетку G(радиуса г0) и ис­точник светаSна окруж­ности радиуса r0/2, то спектр фокуси­руется на той же окружности (ок­ружность Роуланда). Для умень­шенияастигматизмавогнутые дифракционные решетки иногда выполняют с переменным шагом и непрямолинейными штрихами или наносят их на асферические поверхности.

В 70-х годах разработана новая тех­нология изготовления дифракционных решеток, основан­ная на создании периодичного распреде­ления интенсивности на специальных фоточувствительных материалах (фоторезистах) в результате интерференции лазер­ного излучения. Такие дифракционные решетки, называются голографическими, имеют высокое качество и применяются в ви­димой и УФ областях спектра; число штрихов в этих решётках доходит до 6000 на 1 мм, а размеры до 600х400 мм². Дифракционные решетки применяются не только в спектральных приборах, но также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решетки),поляризаторови фильтров ИК излучения, делителей пучков винтерферометрахи для других целей.