Redes de Difração

Elementos ópticos dispersivos · Espectroscopia · Lasers · Telecomunicações · Fonte: PhotonLab

As redes de difração são componentes ópticos essenciais em uma ampla gama de aplicações, incluindo espectrômetros, outros instrumentos analíticos, telecomunicações e sistemas de laser. Uma grade contém uma estrutura microscópica de ranhura periódica que divide a luz incidente em vários caminhos de feixe por meio de difração, fazendo com que a luz de diferentes comprimentos de onda se propague em diferentes direções. Isso torna uma rede de difração funcionalmente semelhante a um prisma dispersivo, embora um prisma separe os comprimentos de onda por refração dependente do comprimento de onda- em vez de difração (Figura 1).

Figura 1. Um prisma dispersivo separa comprimentos de onda por refração (parte superior), enquanto uma rede de difração separa comprimentos de onda por difração devido à sua estrutura superficial (parte inferior).

A luz incidente em uma grade é difratada de acordo com a equação da grade:

Aqui,mé um número inteiro que descreve a ordem de difração (ou espectral),λé o comprimento de onda da luz,dé o espaçamento entre as ranhuras da grade, é o ângulo de incidência e é o ângulo difratado da luz que sai da grade. A interferência construtiva de diferentes frentes de onda difratadas ocorre em múltiplos inteiros do comprimento de onda, razão pela qual “m” aparece na Equação (1).mdefine a ordem de difração:m= 1 é chamado de difração-de primeira ordem,m= 2 é difração de-segunda ordem e assim por diante (Figura 2). Sem= 0, a luz é refletida diretamente da grade ou transmitida através dela, dependendo se é uma grade de reflexão ou de transmissão; isso é chamado de difração de{1}ordem zero. Ao contrário de um prisma dispersivo, comprimentos de onda mais curtos estão sempre mais próximos da luz diretamente refletida ou transmitida-neste caso, a ordem 0. Existe alguma sobreposição entre diferentes pedidos. Todos os ângulos são medidos a partir da normal da grade (perpendicular à grade).

Figura 2. Parte da luz é refletida diretamente como difração de-ordem 0, enquanto outras partes da luz incidente são difratadas em ângulos de primeira{3}}ordem, dependendo do comprimento de onda. Quantidades menores são separadas em difração de-ângulo superior de 2ª- e 3ª-ordem.

O que considerar ao escolher uma grade

Ao selecionar uma grade, é importante especificar a faixa de comprimento de onda, o comprimento de onda da chama (o comprimento de onda com a maior eficiência no espectro difratado) e o ângulo da chama. O ângulo de chama descreve o ângulo de difração de primeira{1}}ordem do comprimento de onda da chama. Neste ângulo e na Equação (1) são iguais, e a luz incidente é difratada de volta na direção de onde veio. Esta condição também é chamada de configuração Littrow. Operar próximo a esse ângulo proporciona a maior eficiência.

A densidade do sulco, ou frequência do sulco, geralmente é especificada. É o inverso do espaçamento das ranhurasd. Uma propriedade chave de um sistema óptico é a sua dispersão, mas isso depende tanto das propriedades da grade quanto de como ela é usada. Sem outros detalhes do sistema, uma rede por si só não pode receber uma regra como "uma certa rotação corresponde a uma certa separação de comprimento de onda". O poder de resolução de uma rede também pode ser especificado e está relacionado à resolução espectral do sistema. Porém, esta resolução depende tanto da grade quanto das fendas de entrada e saída do sistema. O poder de resolução da gradeRdepende da ordem espectralme o número de ranhuras sob iluminaçãoN:

Normalmente, são iluminadas tantas ranhuras que as fendas de entrada e saída-e não a grade-limitam a resolução do sistema. As curvas de eficiência também podem ser usadas para verificar o nível de difração em todos os comprimentos de onda usados ​​na aplicação.

Uma grade deve ser pelo menos tão grande quanto o cone ou feixe de luz incidente; caso contrário, a luz das bordas será perdida. Portanto, uma grade deve sempre ser preenchida de forma insuficiente para evitar que a luz difusa salte pelo sistema e gere sinais falsos.

Tipos de grades

Grades de reflexão vs. grades de transmissão

As duas categorias mais amplas são grades de reflexão e grades de transmissão. As Figuras 1 e 2 mostram grades de reflexão: essencialmente espelhos com ranhuras microscópicas. Todas as ordens difratadas são refletidas na grade em ângulos diferentes. Uma rede de transmissão é como uma lente com ranhuras microscópicas: todas as ordens difratadas passam pela rede, mas são compensadas pelos ângulos dados na Equação (1).

Grades regradas vs. grades holográficas

Tanto as grades de reflexão quanto as de transmissão podem ser divididas em grades regradas e grades holográficas, que diferem na forma como os perfis de ranhura são criados. Nas grades regradas, as ranhuras são gravadas mecanicamente ou cortadas no componente. Nas redes holográficas, os sulcos são introduzidos opticamente: um material fotossensível chamado fotorresistente é depositado sobre um substrato e exposto a um padrão de interferência óptica. O fotorresiste restante é então removido quimicamente, deixando o padrão de grade. As grades regradas geralmente possuem ranhuras triangulares (Figura 3), enquanto as grades holográficas geralmente possuem ranhuras sinusoidais (Figuras 3 e 4).

Figura 3. Redes de difração regradas normalmente possuem ranhuras triangulares. Seta na grade: direção do fogo.

Figura 4. As redes de difração holográfica normalmente possuem ranhuras sinusoidais.

Grades Echelle

Uma grade echelle é caracterizada por um espaçamento de ranhura maior ou menor densidade de ranhura do que as grades comuns-normalmente cerca de 10× e às vezes até 100×. Iluminar uma rede echelle em um alto ângulo de incidência ( ) produz alta dispersão, alta resolução e baixa eficiência dependente de polarização. Essas grades são adequadas para aplicações que exigem alta resolução, como instrumentos astronômicos sensíveis e sistemas que buscam resolução de nível-atômico.

Grades planas vs. grades côncavas

Todos os tipos de grades acima podem ser divididos em grades planas e grades côncavas, descrevendo sua forma geral. As grades planas são planas e mais comuns. Se as ranhuras forem retas e igualmente espaçadas, a grade for plana e a luz incidente for colimada, então toda a luz difratada permanecerá colimada. Isto é benéfico em muitas aplicações porque as propriedades de focagem do sistema tornam-se independentes do comprimento de onda. Em comparação com as grades côncavas, as grades planas também costumam reduzir a complexidade do sistema. As grades côncavas são curvas, portanto convergem ou divergem a luz. Isto é útil para reduzir o número total de componentes ópticos em um sistema, mas as propriedades de foco dependem do comprimento de onda.

Aplicações de grades

Monocromadores

Um monocromador usa uma grade côncava ou plana junto com espelhos para selecionar uma faixa estreita da luz incidente. Se uma fonte de luz-branca entrar em tal dispositivo, ela filtrará todos os comprimentos de onda, exceto a banda de saída estreita pretendida. A Figura 5 mostra como um monocromador gira a grade de modo que diferentes comprimentos de onda passem pela fenda de saída enquanto todos os outros comprimentos de onda são bloqueados.

Figura 5. Monocromador de grade plana-(parte superior) e monocromador de grade{2}}côncavo (parte inferior) giram a grade para verificar as ordens de difração através da fenda de saída e determinar com precisão quais comprimentos de onda podem sair do dispositivo.

Espectrômetros

Assim como os monocromadores, os espectrômetros separam os comprimentos de onda de uma fonte de banda larga, mas não possuem partes móveis. Em vez disso, todos os comprimentos de onda separados são visualizados simultaneamente em um conjunto de detectores (Figura 6). Cada comprimento de onda é visualizado em um conjunto diferente de pixels, permitindo ao dispositivo determinar quanto de cada comprimento de onda existe na fonte de banda larga. Os espectrômetros são normalmente usados ​​quando uma análise espectral rápida é necessária, porque não há necessidade de varrer comprimentos de onda em um detector, economizando tempo.

Figura 6. Espectrômetro de grade plana-(parte superior) e espectrômetro-de grade côncava (parte inferior) usam uma grade fixa para separar comprimentos de onda incidentes em diferentes pixels de uma matriz de detectores.

Ajuste de laser

Existem várias maneiras de usar uma rede de difração para ajustar a saída espectral de um laser ou estreitar sua banda de saída. A grade pode ser girada de modo que apenas uma ordem de difração específica saia do laser; a grade pode permanecer estacionária enquanto um espelho gira para filtrar a banda de saída; ou a grade pode substituir um espelho dentro do laser para estreitar a banda de saída (Figura 7).

Figura 7. Essas três configurações mostram maneiras diferentes de usar uma grade para ajustar o comprimento de onda de saída do laser ou estreitar a faixa de comprimento de onda de saída.

Alongamento, compressão e amplificação do pulso de laser

Pulsos de laser curtos, como pulsos ultrarrápidos, geralmente têm alta potência de pico que pode danificar revestimentos e componentes ópticos sensíveis. Para evitar isso, às vezes é usado um par de redes de difração para esticar o pulso, aumentando sua duração e reduzindo sua potência de pico. O pulso esticado pode então passar por um amplificador óptico e ganhar potência sem danificar nenhum componente óptico. Outro par de grades na configuração reversa pode comprimir a duração do pulso após a amplificação, produzindo um pulso curto e de alta potência no alvo (Figura 8).

Figura 8. As grades podem ser usadas em sistemas de laser pulsado tanto para aumentar a duração do pulso-prevenindo danos-induzidos pelo laser-e para diminuir a duração do pulso, produzindo pulsos de alta-potência no alvo.