ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1998 года по МПК G01J3/18 G02B5/18 

Изобретение относится к области спектрального приборостроения. Оно найдет применение при создании спектральных приборов различного назначения с расширенной областью дисперсии, имеющих регулируемое положение спектральных максимумов, например спектрофотометров, полихроматоров, спектрофлуориметров и т.п.

Известны отражательные дифракционные решетки, представляющие собой совокупность узких параллельных зеркальных полосок, разделенных малыми промежутками с одной рабочей гранью [1]. Большинство известных решеток имеют штрихи ступенчатого профиля, оптимальные с точки зрения получения наивысшей концентрации в одной заданной спектральной области. Технически до сих пор удавалось получать достаточно правильную форму только одной грани штриха. Амплитудные прозрачные решетки, концентрирующие излучение вблизи нулевого порядка, применяются редко, в основном в измерительных целях, в вакуумной УФ- и рентгеновской областях спектра. У голографических решеток штрихи, как правило, имеют симметричный профиль, приблизительно описываемый синусоидой. Для обычных отражательных решеток рабочей гранью является пологая (у решеток типа "эшелле" - крутая [1]).

При падении излучения на решетку часть энергии отражается от нее, как от зеркала, без спектрального разложения, создавая так называемый нулевой порядок. Остальная часть энергии распределяется между спектрами различных порядков. Распределение зависит от формы канавок, образуемых резцом на поверхности заготовки решетки. Решетка - эшелле, имеющая треугольный профиль штрихов, состоит из одинаковых зеркальных площадок шириной b, плоскости которых параллельны друг другу и образуют угол с общей касательной плоскостью всех зеркальных элементов [1].

При падении на эшелле параллельного пучка на каждой зеркальной площадке происходит дифракция, как на узкой щели, и пучки, дифрагировавшие на всех площадках, интерферируют. Распределение интенсивности в спектре решетки - эшелле определяется выражением [1]:
I = Φ(u)Ψ(v) (1) ,
где ,
m - общее число канавок, u, v - текущие координаты. Множитель (2) дает распределение освещенности дифракционной картины, получаемой от одной зеркальной площадки. Множитель (3) характеризует результат интерференции пучков. Функция Ψ (v) периодическая, с периодом, равным π . Для заданной длины волны λ она принимает наибольшее значение, когда v = k λ , т.е. при таких углах падения пучка на решетку ϕ и таких углах дифракции ϕ′ , когда выполняется основное уравнение решетки (1):
sinϕ ± sinϕ′ = kλ/e (4) ,
где e - период решетки, k = 0, ±1, ±2,... - порядок дифракции.

На фиг. 1 приведены функции распределения интенсивности отраженного от решетки излучения, рассчитанные по формулам (1) - (4). В пределах одного порядка эти кривые асимметричны, а кривые всех соседних порядков пересекаются в точках с интенсивностью примерно 0,4 от максимума. Спектральный интервал между точками пересечения для соседних порядков принимается за область высокой концентрации света. Этот интервал равен [2]:
δλ_k= kλ_k/(k²-1/4) (5)
Анализ формулы (5) показывает, что область высокой концентрации энергии составляет для первого порядка дифракции примерно 400 нм, уменьшаясь для следующих порядков дифракции. Это означает, что любой спектральный прибор с большой областью дисперсии должен использовать сменные решетки. Это усложняет конструкцию приборов и уменьшает область его дисперсии, так как при ее расширении в соответствии с фиг. 1 необходимо переходить на решетки с меньшим порядком дифракции или с меньшим числом штрихов на 1 мм.

Кроме того, в соответствии с уравнениями (1) - (4) в рабочем спектральном диапазоне решетки будут присутствовать дифракционные порядки с разным значением k. Так, если рабочим является первый, то в спектре дифрагированного излучения присутствует излучение и с k = +1, и с k = -1, ±2 и т. д., что ухудшает энергетическую эффективность решетки.

Положение спектральных максимумов решетки определяется уравнениями (1) - (4) и выбранным углом блеска решетки, равным [2]:
θ = φ+φ′/2 (6)
Таким образом, известные отражательные решетки имеют два существенных недостатка: использование только одного порядка дифракции, что ухудшает энергетические характеристики оптических приборов, и наложение соседних порядков дифракции, что ухудшает спектральные характеристики приборов, в которых такие решетки используются.

В основу изобретения положена задача расширения рабочего спектрального диапазона путем пространственного разделения рабочих областей спектра и обеспечения максимальной концентрации энергии в этих рабочих областях с требуемым соотношением этих концентраций.

Задача решена тем, что в заявленной отражательной дифракционной решетке со штрихами ступенчатого профиля каждый штрих решетки имеет расположенные под разными углами относительно нормали к поверхности решетки две (или более) рабочие поверхности дифракции (грани) заданной площади.

Изобретение поясняется чертежами, на которых: фиг. 1 изображает зависимость коэффициента отражения решетки от длины волны падающего излучения; фиг. 2 поясняет принцип использования отражения от двух граней штриха дифракционной решетки: ϕ - угол падения на решетку плоскопараллельного потока излучения, AOB - сложная грань штриха решетки, ϕ₁ - угол дифракции для длины волны λ₁ и порядка дифракции k₁ от одной грани штриха решетки, ϕ₂ - угол дифракции для длины волны λ₂ и порядка дифракции k₂ при дифракции на другой грани штриха решетки.

На фиг. 3: А - изображает зависимость коэффициента отражения решетки для фиксированного соотношения λ/λ_max в зависимости от нормированной ширины l/l_max; Б - изображает характер изменения длины профиля штриха при расчетах кривой.

Предположим (фиг. 2), что отражающая грань решетки выполнена в виде ломаной линии AOB. Линии AO и OB имеют разные углы относительно плоскости решетки и разную длину. Плоскопараллельный пучок излучения под углом φ к нормали решетки падает на решетку G; излучение с длиной волны λ₁ под углом дифракции в рабочем порядке k₁, дифрагировавшее от грани AO решетки, собирается объективом для развертывания, в спектр. Излучение с длиной волны λ₂ под углом дифракции в рабочем порядке k₂ после дифрагирования также собирается своим объективом для развертывания в спектр. На фиг. 2 выбраны для примера отражения от грани AO порядок k = +1, а от грани OB порядок k = -1. Выбирая для каждой грани свой угол блеска, в соответствии с уравнениями (4) и (6), получим два заданных максимума спектрального распределения дифрагированного и пространственно разделенного излучения от решетки. Последнее требование выполняется при совместном решении уравнений (4) и (6) для таких k, которые обеспечат заданное угловое пространственное разрешение двух (или более) рабочих диапазонов спектра. Выбором относительной площади граней AO и OB достигается требуемое энергетическое соотношение этих спектральных распределений.

Теоретические расчеты дифракции на решетках ступенчатого профиля, в которых учтена конечная проводимость металлического покрытия решетки, сделаны в работе [3]. Для решеток разного профиля были рассчитаны коэффициенты спектрального отражения, в том числе для нормированного параметра λ/λ_max .

В нашем случае представляет интерес для решетки с постоянным периодом e рассмотреть коэффициент отражения дифрагирующего излучения на заданной длине волны λ в зависимости от ширины рабочей грани l. Такая зависимость для неполяризованного излучения представлена на фиг. 3. Как видно, в пределах рабочего диапазона решетки, определенного ранее формулой (5), наблюдается монотонный рост спектрального коэффициента отражения при увеличении.

Наличие колебаний кривой определяется различием поведения коэффициента отражения для двух состояний поляризации. При использовании двух (или более) рабочих граней штрихов решетки такая зависимость однозначно определяет, что выбором ширины грани можно регулировать относительное энергетическое распределение спектрально разложенного решеткой излучения в заданных соотношениях, определяемых, например, различной чувствительностью фотоприемников, селективностью по спектру источников излучения, требованиями точности фотометрирования в заданном диапазоне спектра и т.д.

Предложенная отражательная дифракционная решетка имеет следующие преимущества перед решетками, использующими одну рабочую грань:
регулируемое соотношение энергии в спектральном рабочем диапазоне, достигаемое изменением соотношения площадей рабочих граней решетки,
расширение получаемого спектрального диапазона решетки,
сохранение дисперсии прибора в расширенном спектральном диапазоне,
возможность изменения дисперсии в рабочих спектральных интервалах выбором соответствующих порядков дифракции от разных граней,
увеличение энергетической эффективности решетки за счет использования тех порядков дифракции, которые в решетке с одной рабочей гранью приводят к потере излучения, так как не являются рабочими,
снижение влияния переналожения нерабочих порядков дифракции за счет выбора спектрального диапазона каждой грани.

Список литературы
1. И. В. Пейсахсон. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1988, с. 52.

2. Ф.М.Герасимов, Э.А.Яковлев. Дифракционные решетки. В сб. "Современные тенденции спектроскопии". Наука, Новосибирск, 1982, с. 30.

3. В.П.Шестопалов и др. Дифракционные решетки, ч.1. Киев: Наукова думка. 1989, с. 194.

Использование: изобретение относится к области спектрального приборостроения. Сущность изобретения: в отражательной дифракционной решетке со штрихами ступенчатого профиля, каждый штрих имеет расположенные под разными углами относительно нормали к поверхности решетки две (или более) рабочие поверхности дифракции (грани). 3 ил.

Отражательная дифракционная решетка со штрихами ступенчатого профиля, отличающаяся тем, что каждый штрих решетки имеет расположенные под разными углами относительно нормали к поверхности решетки две (или более) рабочие поверхности дифракции (грани) заданной площади.