ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА

       

оптич. прибор, представляющий собой периодич. структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на к-рых происходит дифракция света (напр., параллельных и равноотстоящих штрихов, нанесённых на плоскую или вогнутую оптич. поверхность). Штрихи с определённым и постоянным для данной Д. р. профилем повторяются через одинаковый промежуток d, наз. её периодом (рис. 1). Осн. св-во Д. р.— способность раскладывать падающий на неё пучок света по длинам волн, поэтому она используется в кач-ве диспергирующего элемента в спектральных приборах. Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то Д. р. наз. п л о с к о й, если на вогнутую (обычно сферическую) поверхность — в о г н у т о й. Различают отражательные и прозрачные Д. р. У отражательных Д. р. штрихи наносятся на зеркальную (обычно металлическую) поверхность, и наблюдение ведётся в отражённом свете. У прозрачных Д. р. штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки (или вырезаются в виде узких щелей в непрозрачном экране), и наблюдение ведётся в проходящем свете. В совр. спектр. приборах применяются гл. обр. отражат. Д. р.

Наиболее наглядно описание действия Д. р. для прозрачной Д. р. При падении монохроматического параллельного пучка света с длиной волны l под углом a на Д. р. (рис. 1), состоящую из щелей ширины 6, разделённых непрозрачными промежутками, происходит интерференция волн, исходящих из разных щелей.

Рис. 1. Схема образования спектров с помощью прозрачной дифракц. решётки, состоящей из щелей.

В результате после фокусировки на экране образуются максимумы, положение к-рых определяется ур-нием: d(sina+sinb)=ml, где b — угол между нормалью к решётке и направлением распространения дифракц. пучка (угол дифракции); целое число m=0, ±1, :±2, ±3, . . . равно кол-ву длин волн, на к-рое волна от нек-рого элемента данной щели Д. р. отстаёт от волны, исходящей от такого же элемента соседней щели (или опережает её). Монохроматич. пучки, относящиеся к разл. значениям m, наз. порядками спектра, а создаваемые ими изображения входной щели — спектральными линиями М1. Все порядки, соответствующие положит. и отрицат. значениям то, симметричны относительно нулевого. По мере возрастания числа щелей Д. р. спектр. линии становятся более узкими и резкими.

Если на Д. р. падает излучение сложного спектр. состава, то для каждой длины волны получится свой набор спектр. линий M2, и, следовательно, излучение будет разложено в спектры по числу возможных значений т. Относит. интенсивность линий определяется ф-цией распределения энергии от отдельной щели.

Осн. хар-ками Д. р. явл. угловая дисперсия и разрешающая способность. Угловая дисперсия Db/Dl, характеризующая угл. ширину спектра, для данной l не зависит от параметров решётки, а зависит только от углов a и b и возрастает с увеличением b:

Т. о., угл. ширина спектров изменяется приблизительно пропорц. номеру порядка спектра. Разрешающая способность R измеряется отношением l к наименьшему интервалу длин волн Dl, к-рый ещё может разделить решётка:

R=l/Dl=mN =(W/l)(sina+sinb),

где N — число штрихов Д. р., а W — ширина всей Д. р. При заданных углах R может быть повышена только за счёт W. Д. р. даёт неск. налагающихся друг на друга спектров разл. порядков. Макс. интервал длин волн, к-рый можно наблюдать без переналожения, наз. свободной спектральной областью Fl=l/m, где l — мин. длина волны спектр. интервала.

Д. р., применяемые для работы в разл. 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 совр. Д. р. имеют штрихи ступенчатого профиля, позволяющие сконцентрировать осн. часть падающей энергии в направлении к.-л. одного ненулевого порядка (см. ЭШЕЛЕТТ).

Для УФ и видимой областей наиб. типичны Д. р., имеющие от 300 до 1200 штрих/мм. Штрихи этих Д. р. выполняют в тонком слое алюминия, предварительно нанесённом на стеклянную поверхность испарением в вакууме. Д. р. в вакуумной УФ области изготавливаются на стеклянных поверхностях.

Рис. 2. Схема образования спектров с помощью вогнутой дифракц. решётки.

В этой области незаменимы вогнутые отражательные Д. р., выполняющие одновременно роль Д. р. и собирающей линзы. Если поместить вогнутую Д. p. G (радиуса r0) и источник света S (рис. 2) на окружности радиуса r0/2, то спектр фокусируется на той же окружности (окружность Р о у л а н д а). Для уменьшения астигматизма вогнутые Д. р. иногда выполняют с перем. шагом и непрямолинейными штрихами или наносят их на асферич. поверхности.

В 70-х гг. разработана новая технология изготовления Д. р., основанная на создании периодич. распределения интенсивности на спец. фоточувствит. материалах (фоторезистах) в результате интерференции лазерного излучения. Такие Д. р., наз. топографическими, имеют высокое кач-во и применяются в видимой и УФ областях спектра; число штрихов в этих решётках доходит до 6000 на 1 мм, а размеры до 600X400 мм2. Д. Р. применяются не только в спектр. приборах, но также в кач-ве оптич. датчиков линейных и угл. перемещений (измерительные Д. р.), поляризаторов и фильтров ИК излучения, делителей пучков в интерферометрах и для др. целей.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.