RU2105274C1 - Reflecting diffraction grating - Google Patents

Abstract

FIELD: spectral instrumentation engineering. SUBSTANCE: every slit in reflecting diffraction grating having stepped slits is provided with two (or more) operating diffraction surfaces (edges) positioned at different angles relative to grating surface normal. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

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. The invention relates to the field of spectral instrumentation. It will find application in the creation of spectral instruments for various purposes with an expanded dispersion region, with an adjustable position of spectral maxima, for example spectrophotometers, polychromators, spectrofluorimeters, etc.

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]). Known reflective diffraction gratings, representing a combination of narrow parallel mirror strips separated by small gaps with one working face [1]. Most known gratings have step-shaped strokes that are optimal from the point of view of obtaining the highest concentration in one given spectral region. Technically, so far it has been possible to obtain a sufficiently regular form of only one facet of the stroke. Transparent amplitude gratings concentrating radiation near the zeroth order are rarely used, mainly for measuring purposes, in the vacuum UV and X-ray spectral regions. In holographic gratings, strokes, as a rule, have a symmetrical profile, approximately described by a sinusoid. For ordinary reflective gratings, the working face is flat (for echelle gratings, it is steep [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]. When radiation falls on the grating, part of the energy is reflected from it, like from a mirror, without spectral decomposition, creating the so-called zero order. The rest of the energy is distributed between spectra of various orders. The distribution depends on the shape of the grooves formed by the cutter on the surface of the grate blank. An echelle lattice having a triangular stroke profile consists of identical mirror areas of width b, the planes of which are parallel to each other and form an angle with the common tangent plane of all mirror elements [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.When a parallel beam is incident at the echelle, diffraction occurs at each mirror site, as on a narrow slit, and the beams diffracted at all sites interfere. The intensity distribution in the spectrum of the lattice - echelle is determined by the expression [1]:
I = Φ (u) Ψ (v) (1),
Where

,
m is the total number of grooves, u, v are the current coordinates. The factor (2) gives the distribution of the illumination of the diffraction pattern obtained from one mirror area. The factor (3) characterizes the result of the interference of the beams. The function Ψ (v) is periodic, with a period equal to π. For a given wavelength λ, it takes on the greatest value when v = k λ, i.e. at such angles of incidence of the beam on the grating φ and such diffraction angles φ, when the basic equation of the grating (1) is satisfied:
sinφ ± sinφ ′ = kλ / e (4),
where e is the lattice period, k = 0, ± 1, ± 2, ... is the diffraction order.

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.In FIG. Figure 1 shows the intensity distribution functions of the radiation reflected from the grating, calculated by formulas (1) - (4). Within the same order, these curves are asymmetric, and the curves of all neighboring orders intersect at points with an intensity of about 0.4 of the maximum. The spectral interval between the points of intersection for neighboring orders is taken as the region of high light concentration. This interval is [2]:
δλ _k = kλ _k / (k ² -1/4) (5)
An analysis of formula (5) shows that the region of high energy concentration for the first diffraction order is approximately 400 nm, decreasing for the following diffraction orders. This means that any spectral instrument with a large dispersion region must use interchangeable arrays. This complicates the design of the devices and reduces the region of its dispersion, since when it is expanded in accordance with FIG. 1, it is necessary to switch to gratings with a lower diffraction order or with a smaller number of strokes per 1 mm.

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. In addition, in accordance with equations (1) - (4), diffraction orders with different values of k will be present in the working spectral range of the grating. So, if the first one is working, then the spectrum of diffracted radiation contains radiation with k = +1, and with k = -1, ± 2, etc., which degrades the energy efficiency of the grating.

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.The position of the spectral maxima of the lattice is determined by equations (1) - (4) and the selected angle of brightness of the lattice equal to [2]:
θ = φ + φ ′ / 2 (6)
Thus, the known reflective gratings have two significant drawbacks: the use of only one diffraction order, which affects the energy characteristics of optical devices, and the imposition of adjacent diffraction orders, which affects the spectral characteristics of devices in which such gratings are used.

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. The basis of the invention is the task of expanding the working spectral range by spatial separation of the working areas of the spectrum and ensuring maximum energy concentration in these working areas with the desired ratio of these concentrations.

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. The problem is solved in that in the inventive reflective diffraction grating with step-shaped strokes, each grating stroke has two (or more) working diffraction surfaces (faces) of a given area located at different angles to the normal to the grating surface.

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.The invention is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 shows the dependence of the reflection coefficient of the lattice on the wavelength of the incident radiation; FIG. 2 illustrates the principle of using reflection from two faces of the diffraction grating stroke: φ is the angle of incidence on the grating of a plane-parallel radiation flux, AOB is the complex face of the grating stroke, φ ₁ is the diffraction angle for wavelength λ ₁ and diffraction order k ₁ from one face of the grating stroke, φ ₂ is the diffraction angle for the wavelength λ ₂ and the diffraction order k ₂ during diffraction on another face of the grating line.

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.In FIG. 3: A - depicts the dependence of the reflection coefficient of the lattice for a fixed ratio λ / λ _max depending on the normalized width l / l _max ; B - depicts the nature of the change in the length of the stroke profile in the calculation of the curve.

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.Assume (Fig. 2) that the reflective face of the lattice is made in the form of a broken line AOB. The lines AO and OB have different angles relative to the plane of the lattice and different lengths. A plane-parallel radiation beam at an angle φ to the normal to the grating falls on the grating G; radiation with a wavelength of λ ₁ at an angle of diffraction

in working order k ₁ , diffracted from the face of the AO lattice, is collected by the objective for deployment into the spectrum. Radiation with a wavelength of λ ₂ at an angle of diffraction

in working order, k ₂ after diffraction is also collected by its lens for deployment in the spectrum. In FIG. 2, for the example of reflection from the face AO, the order k = +1, and from the face OB the order k = -1 is selected. Choosing a different angle of brightness for each face, in accordance with equations (4) and (6), we obtain two given maximums of the spectral distribution of diffracted and spatially separated radiation from the grating. The last requirement is fulfilled when solving equations (4) and (6) together for such k that provide a given angular spatial resolution of two (or more) working ranges of the spectrum. By choosing the relative face area of AO and OB, the required energy ratio of these spectral distributions is achieved.

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 .Theoretical calculations of diffraction by step-shaped gratings, in which the finite conductivity of the metal coating of the grating is taken into account, were made in [3]. For gratings of different profiles, the spectral reflection coefficients were calculated, including the normalized parameter 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. In our case, it is of interest for a grating with a constant period e to consider the reflection coefficient of diffracting radiation at a given wavelength λ depending on the width of the working face l. Such a dependence for unpolarized radiation is shown in FIG. 3. As can be seen, within the working range of the lattice defined previously by formula (5), a monotonic increase in the spectral reflection coefficient is observed with increasing.

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. The presence of curve oscillations is determined by the difference in the behavior of the reflection coefficient for the two polarization states. When using two (or more) working faces of the grating strokes, this dependence unambiguously determines that by choosing the width of the face, one can control the relative energy distribution of the spectrum spectrally expanded by the grating in predetermined ratios determined, for example, by different sensitivity of photodetectors, selectivity by the spectrum of radiation sources, and requirements for the accuracy of photometry in a given range of the spectrum, etc.

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.The proposed reflective diffraction grating has the following advantages over gratings using one working face:
adjustable energy ratio in the spectral operating range, achieved by changing the ratio of the areas of the working faces of the lattice,
expanding the resulting spectral range of the grating,
preservation of the dispersion of the device in the extended spectral range,
the ability to change the dispersion in the working spectral ranges by selecting the appropriate diffraction orders from different faces,
increase in the energy efficiency of the grating due to the use of those diffraction orders that, in a grating with one working face, lead to a loss of radiation, since they are not working,
Reducing the effect of overlaying non-working diffraction orders by choosing the spectral range of each face.

Список литературы
1. И. В. Пейсахсон. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1988, с. 52.Bibliography
1. I.V. Peysakhson. Optics of spectral instruments. L .: Engineering, 1988, p. 52.

2. Ф.М.Герасимов, Э.А.Яковлев. Дифракционные решетки. В сб. "Современные тенденции спектроскопии". Наука, Новосибирск, 1982, с. 30. 2. F.M. Gerasimov, E.A. Yakovlev. Diffraction gratings. On Sat "Current trends in spectroscopy." Science, Novosibirsk, 1982, p. thirty.

3. В.П.Шестопалов и др. Дифракционные решетки, ч.1. Киев: Наукова думка. 1989, с. 194. 3. V.P. Shestopalov et al. Diffraction gratings, part 1. Kiev: Naukova Dumka. 1989, p. 194.

Claims (1)

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. A reflective diffraction grating with strokes of a stepped profile, characterized in that each grating stroke has two (or more) working surfaces of diffraction (face) of a given area located at different angles to the normal to the surface of the grating.

Images