विवर्तन झंझरी

ऑप्टिकल फैलाव तत्व · स्पेक्ट्रोस्कोपी · लेजर · टेलीकॉम · स्रोत: फोटोनलैब

विवर्तन झंझरी स्पेक्ट्रोमीटर, अन्य विश्लेषणात्मक उपकरण, दूरसंचार और लेजर सिस्टम सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रमुख ऑप्टिकल घटक हैं। एक झंझरी में एक सूक्ष्म आवधिक नाली संरचना होती है जो विवर्तन के माध्यम से आपतित प्रकाश को कई किरण पथों में विभाजित करती है, जिससे विभिन्न तरंग दैर्ध्य का प्रकाश अलग-अलग दिशाओं में फैलता है। यह एक विवर्तन झंझरी को कार्यात्मक रूप से एक फैलाने वाले प्रिज्म के समान बनाता है, हालांकि एक प्रिज्म तरंग दैर्ध्य को विवर्तन के बजाय निर्भर अपवर्तन द्वारा तरंग दैर्ध्य को अलग करता है (चित्र 1)।

चित्र 1. एक फैलावदार प्रिज्म तरंग दैर्ध्य को अपवर्तन (ऊपर) द्वारा अलग करता है, जबकि एक विवर्तन झंझरी अपनी सतह संरचना (नीचे) के कारण तरंग दैर्ध्य को विवर्तन द्वारा अलग करती है।

झंझरी पर आपतित प्रकाश झंझरी समीकरण के अनुसार विवर्तित होता है:

यहाँ,mविवर्तन (या वर्णक्रमीय) क्रम का वर्णन करने वाला एक पूर्णांक है,λप्रकाश की तरंगदैर्घ्य है,dझंझरी पर खांचे के बीच की दूरी है, आपतन का कोण है, और झंझरी से निकलने वाले प्रकाश का विवर्तित कोण है। विभिन्न विवर्तित तरंगाग्रों का रचनात्मक हस्तक्षेप तरंग दैर्ध्य के पूर्णांक गुणकों पर होता है, यही कारण है कि समीकरण (1) में "एम" दिखाई देता है।mविवर्तन क्रम को परिभाषित करता है:m= 1 को प्रथम -आदेश विवर्तन कहा जाता है,m= 2 दूसरे क्रम का विवर्तन है, इत्यादि (चित्र 2)। अगरm= 0, प्रकाश या तो सीधे झंझरी से परावर्तित होता है या इसके माध्यम से प्रसारित होता है, यह इस पर निर्भर करता है कि यह प्रतिबिंब है या संचरण झंझरी है; इसे शून्य क्रम विवर्तन कहा जाता है। एक फैलाव वाले प्रिज्म के विपरीत, छोटी तरंग दैर्ध्य हमेशा सीधे परावर्तित या प्रसारित प्रकाश के करीब होती है {{3}इस मामले में, 0वां क्रम। विभिन्न आदेशों के बीच कुछ ओवरलैप मौजूद हैं। सभी कोणों को झंझरी के सामान्य (झंझरी के लंबवत) से मापा जाता है।

चित्र 2. कुछ प्रकाश सीधे 0वें{2}क्रम विवर्तन के रूप में परावर्तित होता है, जबकि आपतित प्रकाश के अन्य भाग तरंग दैर्ध्य के आधार पर पहले{3}क्रम कोणों में विवर्तित होते हैं। छोटी मात्राओं को उच्च {{5}कोण 2रे{7}} और 3रे{9}क्रम विवर्तन में विभाजित किया जाता है।

झंझरी चुनते समय क्या विचार करें?

झंझरी का चयन करते समय, तरंग दैर्ध्य सीमा, ब्लेज़ तरंग दैर्ध्य (विवर्तित स्पेक्ट्रम में उच्चतम दक्षता वाली तरंग दैर्ध्य), और ब्लेज़ कोण को निर्दिष्ट करना महत्वपूर्ण है। ब्लेज़ कोण, ब्लेज़ तरंग दैर्ध्य के पहले -आदेश विवर्तन कोण का वर्णन करता है। इस कोण पर, और समीकरण (1) में समान हैं, और आपतित प्रकाश वापस उसी दिशा में विवर्तित हो जाता है जहाँ से वह आया था। इस स्थिति को लिट्रो कॉन्फ़िगरेशन भी कहा जाता है। इस कोण के करीब संचालन उच्चतम दक्षता देता है।

नाली घनत्व, या नाली आवृत्ति, आमतौर पर निर्दिष्ट की जाती है। यह ग्रूव स्पेसिंग का व्युत्क्रम हैd. ऑप्टिकल प्रणाली का एक प्रमुख गुण इसका फैलाव है, लेकिन यह झंझरी के गुणों और झंझरी का उपयोग कैसे किया जाता है, दोनों पर निर्भर करता है। अन्य सिस्टम विवरणों के बिना, अकेले एक झंझरी को एक नियम नहीं सौंपा जा सकता है जैसे "एक निश्चित रोटेशन एक निश्चित तरंग दैर्ध्य पृथक्करण से मेल खाता है।" एक झंझरी की विभेदन शक्ति को भी निर्दिष्ट किया जा सकता है, और यह सिस्टम के वर्णक्रमीय विभेदन से संबंधित है। हालाँकि, यह रिज़ॉल्यूशन ग्रेटिंग और सिस्टम के प्रवेश और निकास स्लिट दोनों पर निर्भर करता है। झंझरी की विभेदन शक्तिRवर्णक्रमीय क्रम पर निर्भर करता हैmऔर रोशनी के तहत खांचे की संख्याN:

आम तौर पर इतने सारे खांचे रोशन होते हैं कि प्रवेश और निकास स्लिट्स न कि झंझरी - सिस्टम रिज़ॉल्यूशन को सीमित कर देते हैं। दक्षता वक्रों का उपयोग अनुप्रयोग में प्रयुक्त सभी तरंग दैर्ध्य में विवर्तन स्तर को सत्यापित करने के लिए भी किया जा सकता है।

एक झंझरी कम से कम आपतित प्रकाश शंकु या किरण जितनी बड़ी होनी चाहिए; अन्यथा किनारों से प्रकाश नष्ट हो जाएगा। इसलिए, आवारा प्रकाश को सिस्टम के चारों ओर उछलने और गलत सिग्नल उत्पन्न करने से रोकने के लिए एक झंझरी को हमेशा कम भरा जाना चाहिए।

झंझरी के प्रकार

परावर्तन झंझरी बनाम ट्रांसमिशन झंझरी

दो सबसे व्यापक श्रेणियां प्रतिबिंब झंझरी और ट्रांसमिशन झंझरी हैं। चित्र 1 और 2 प्रतिबिंब झंझरी दिखाते हैं: अनिवार्य रूप से सूक्ष्म खांचे वाले दर्पण। सभी विचलित आदेश विभिन्न कोणों पर झंझरी से प्रतिबिंबित होते हैं। ट्रांसमिशन ग्रेटिंग सूक्ष्म खांचे वाले लेंस की तरह होती है: सभी विवर्तित क्रम ग्रेटिंग से होकर गुजरते हैं, लेकिन समीकरण (1) में दिए गए कोणों से ऑफसेट होते हैं।

शासित झंझरी बनाम होलोग्राफिक झंझरी

प्रतिबिंब और ट्रांसमिशन झंझरी दोनों को शासित झंझरी और होलोग्राफिक झंझरी में विभाजित किया जा सकता है, जो कि ग्रूव प्रोफाइल बनाने के तरीके में भिन्न होते हैं। शासित झंझरी में, खांचे यंत्रवत् उकेरे जाते हैं या घटक में काटे जाते हैं। होलोग्राफिक झंझरी में, खांचे को वैकल्पिक रूप से पेश किया जाता है: फोटोरेसिस्ट नामक एक प्रकाश संवेदनशील सामग्री को एक सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है और एक ऑप्टिकल हस्तक्षेप पैटर्न के संपर्क में लाया जाता है। शेष फोटोरेसिस्ट को झंझरी पैटर्न को छोड़कर, रासायनिक रूप से हटा दिया जाता है। शासित झंझरी में आमतौर पर त्रिकोणीय खांचे होते हैं (चित्र 3), जबकि होलोग्राफिक झंझरी में आमतौर पर साइनसॉइडल खांचे होते हैं (चित्र 3 और 4)।

चित्र 3. शासित विवर्तन झंझरी में आमतौर पर त्रिकोणीय खांचे होते हैं। झंझरी पर तीर: आग की दिशा.

चित्र 4. होलोग्राफिक विवर्तन झंझरी में आमतौर पर साइनसॉइडल खांचे होते हैं।

एशेल ग्रेटिंग्स

एक ईशेल ग्रेटिंग की विशेषता सामान्य ग्रेटिंग की तुलना में बड़ी ग्रूव स्पेसिंग या कम ग्रूव घनत्व होती है, आमतौर पर लगभग 10× और कभी-कभी 100× तक। आपतन के उच्च कोण ( ) पर एक ईशेल ग्रेटिंग को रोशन करने से उच्च फैलाव, उच्च रिज़ॉल्यूशन और कम ध्रुवीकरण {{4}निर्भर दक्षता उत्पन्न होती है। ये झंझरी उच्च रिज़ॉल्यूशन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं, जैसे संवेदनशील खगोलीय उपकरण और परमाणु स्तर के रिज़ॉल्यूशन का अनुसरण करने वाली प्रणालियाँ।

समतल झंझरी बनाम अवतल झंझरी

उपरोक्त सभी झंझरी प्रकारों को उनके समग्र आकार का वर्णन करते हुए, समतल झंझरी और अवतल झंझरी में विभाजित किया जा सकता है। समतल झंझरी सपाट और अधिक सामान्य हैं। यदि खांचे सीधे और समान दूरी पर हैं, झंझरी सपाट है, और आपतित प्रकाश संघटित हो जाता है, तो सभी विवर्तित प्रकाश संघटित रहता है। यह कई अनुप्रयोगों में फायदेमंद है क्योंकि सिस्टम के फोकसिंग गुण तरंग दैर्ध्य से स्वतंत्र हो जाते हैं। अवतल झंझरी की तुलना में, समतल झंझरी भी आमतौर पर सिस्टम जटिलता को कम करती है। अवतल झंझरी घुमावदार होती हैं, इसलिए वे या तो प्रकाश को अभिसरित करती हैं या विसरित करती हैं। यह किसी सिस्टम में ऑप्टिकल घटकों की कुल संख्या को कम करने के लिए उपयोगी है, लेकिन फ़ोकसिंग गुण तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करते हैं।

झंझरी अनुप्रयोग

मोनोक्रोमेटर्स

एक मोनोक्रोमेटर आपतित प्रकाश से एक संकीर्ण बैंड का चयन करने के लिए दर्पण के साथ अवतल या समतल झंझरी का उपयोग करता है। यदि कोई सफेद - प्रकाश स्रोत ऐसे उपकरण में प्रवेश करता है, तो यह इच्छित संकीर्ण आउटपुट बैंड को छोड़कर सभी तरंग दैर्ध्य को फ़िल्टर कर देता है। चित्र 5 दिखाता है कि कैसे एक मोनोक्रोमेटर झंझरी को घुमाता है ताकि विभिन्न तरंग दैर्ध्य निकास स्लिट से गुजरें जबकि अन्य सभी तरंग दैर्ध्य अवरुद्ध हो जाएं।

चित्र 5. समतल {{1}ग्रेटिंग मोनोक्रोमेटर (ऊपर) और अवतल-ग्रेटिंग मोनोक्रोमेटर (नीचे) दोनों निकास स्लिट में विवर्तन आदेशों को स्कैन करने के लिए ग्रेटिंग को घुमाते हैं और सटीक रूप से निर्धारित करते हैं कि कौन सी तरंग दैर्ध्य डिवाइस को छोड़ सकती है।

स्पेक्ट्रोमीटर

मोनोक्रोमेटर्स की तरह, स्पेक्ट्रोमीटर ब्रॉडबैंड स्रोत की तरंग दैर्ध्य को अलग करते हैं, लेकिन उनके पास कोई गतिशील भाग नहीं होता है। इसके बजाय, सभी अलग-अलग तरंग दैर्ध्य को एक डिटेक्टर सरणी (चित्रा 6) पर एक साथ चित्रित किया जाता है। प्रत्येक तरंग दैर्ध्य को पिक्सेल के एक अलग सेट पर चित्रित किया जाता है, जिससे डिवाइस यह निर्धारित कर सकता है कि ब्रॉडबैंड स्रोत में प्रत्येक तरंग दैर्ध्य का कितना हिस्सा मौजूद है। स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग आमतौर पर तब किया जाता है जब तेज वर्णक्रमीय विश्लेषण की आवश्यकता होती है, क्योंकि डिटेक्टर में तरंग दैर्ध्य को स्कैन करने की कोई आवश्यकता नहीं होती है, जिससे समय की बचत होती है।

चित्र 6. समतल {{1}ग्रेटिंग स्पेक्ट्रोमीटर (ऊपर) और अवतल-ग्रेटिंग स्पेक्ट्रोमीटर (नीचे) दोनों एक डिटेक्टर सरणी के विभिन्न पिक्सेल पर घटना तरंग दैर्ध्य को अलग करने के लिए एक निश्चित ग्रेटिंग का उपयोग करते हैं।

लेजर ट्यूनिंग

लेज़र के वर्णक्रमीय आउटपुट को ट्यून करने या उसके आउटपुट बैंड को संकीर्ण करने के लिए विवर्तन झंझरी का उपयोग करने के कई तरीके हैं। झंझरी को घुमाया जा सकता है ताकि लेजर से केवल एक विशिष्ट विवर्तन क्रम ही निकले; जब दर्पण आउटपुट बैंड को फ़िल्टर करने के लिए घूमता है तो झंझरी स्थिर रह सकती है; या झंझरी आउटपुट बैंड को संकीर्ण करने के लिए लेजर के अंदर एक दर्पण की जगह ले सकती है (चित्र 7)।

चित्र 7. ये तीन सेटअप लेजर आउटपुट तरंगदैर्घ्य को ट्यून करने या आउटपुट तरंगदैर्ध्य रेंज को संकीर्ण करने के लिए ग्रेटिंग का उपयोग करने के विभिन्न तरीकों को दिखाते हैं।

लेजर पल्स स्ट्रेचिंग, संपीड़न, और प्रवर्धन

लघु लेजर पल्स, जैसे कि अल्ट्राफास्ट पल्स, में अक्सर उच्च शिखर शक्ति होती है जो संवेदनशील ऑप्टिकल कोटिंग्स और घटकों को नुकसान पहुंचा सकती है। इससे बचने के लिए, कभी-कभी नाड़ी को फैलाने, इसकी अवधि बढ़ाने और इसकी चरम शक्ति को कम करने के लिए विवर्तन झंझरी की एक जोड़ी का उपयोग किया जाता है। फिर खिंची हुई पल्स एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर से गुजर सकती है और किसी भी ऑप्टिकल घटक को नुकसान पहुंचाए बिना शक्ति प्राप्त कर सकती है। रिवर्स कॉन्फ़िगरेशन में एक और झंझरी जोड़ी प्रवर्धन के बाद पल्स अवधि को संपीड़ित कर सकती है, जिससे लक्ष्य पर एक छोटी, उच्च - पावर पल्स उत्पन्न होती है (चित्रा 8)।

चित्र 8. झंझरी का उपयोग स्पंदित लेजर प्रणालियों में पल्स अवधि को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है {{1}लेजर से होने वाली क्षति को रोकने के लिए {{3}और पल्स की अवधि को कम करने के लिए, लक्ष्य पर उच्च {{4}शक्ति पल्स का उत्पादन करने के लिए।