Siatka dyfrakcyjna

Bardzo duża odblaskowa siatka dyfrakcyjna

Żarówka widziana przez filtr efektów dyfrakcyjnych .

W optyce siatka dyfrakcyjna jest elementem optycznym o strukturze okresowej, który ugina światło na kilka wiązek poruszających się w różnych kierunkach (tj. pod różnymi kątami dyfrakcji). Pojawiające się zabarwienie jest formą zabarwienia strukturalnego . Kierunki lub kąty dyfrakcji tych wiązek zależą od kąta padania fali (światła) na siatkę dyfrakcyjną, odstępu lub odległości między sąsiednimi elementami dyfrakcyjnymi (np. światło. Kratka działa jako dyspersyjny . Z tego powodu siatki dyfrakcyjne są powszechnie stosowane w monochromatorach i spektrometrach , ale możliwe są również inne zastosowania, takie jak enkodery optyczne do precyzyjnego sterowania ruchem i pomiaru czoła fali.

W przypadku typowych zastosowań krata odblaskowa ma na swojej powierzchni wypukłości lub linie , podczas gdy krata przepuszczalna ma na swojej powierzchni przepuszczalne lub puste w środku szczeliny. Taka siatka moduluje amplitudę padającej na nią fali, tworząc wzór dyfrakcyjny. Istnieją również siatki, które modulują raczej fazy fal padających niż amplitudę, a tego typu siatki można często wytwarzać za pomocą holografii .

James Gregory (1638–1675) obserwował wzory dyfrakcyjne powodowane przez ptasie pióro, które było faktycznie pierwszą siatką dyfrakcyjną (w postaci naturalnej), którą odkryto około rok po eksperymentach Izaaka Newtona z pryzmatem. Pierwsza sztuczna siatka dyfrakcyjna została wykonana około 1785 roku przez wynalazcę z Filadelfii , Davida Rittenhouse'a , który naciągnął włosy między dwie drobno gwintowane śruby. Było to podobne do drucianej siatki dyfrakcyjnej znanego niemieckiego fizyka Josepha von Fraunhofera z 1821 roku . Zasady dyfrakcji odkryli Thomas Young i Augustin-Jean Fresnel . Korzystając z tych zasad, Fraunhofer jako pierwszy użył siatki dyfrakcyjnej do uzyskania widm liniowych i jako pierwszy zmierzył długości fal linii widmowych za pomocą siatki dyfrakcyjnej.

Kraty o najmniejszej odległości między liniami (d) zostały stworzone w latach 60. XIX wieku przez Friedricha Adolpha Noberta (1806–1881) w Greifswaldzie; następnie prowadzenie przejęli dwaj Amerykanie Lewis Morris Rutherfurd (1816–1892) i William B. Rogers (1804–1882); najlepsze dostępne były kraty wklęsłe Henry'ego Augustusa Rowlanda (1848–1901).

Siatka dyfrakcyjna może tworzyć „tęczowe” kolory, gdy jest oświetlona przez źródło światła o szerokim spektrum (np. ciągłe). Tęczowe kolory z blisko rozmieszczonych wąskich ścieżek na optycznych dyskach do przechowywania danych, takich jak płyty CD lub DVD , są przykładem dyfrakcji światła spowodowanej przez siatki dyfrakcyjne. Zwykła siatka dyfrakcyjna ma równoległe linie (dotyczy to siatek 1-wymiarowych, ale możliwe są również siatki 2- lub 3-wymiarowe i mają one swoje własne zastosowania, takie jak pomiar czoła fali), podczas gdy płyta CD ma spiralę precyzyjnie rozmieszczonych ścieżek danych . Kolory dyfrakcyjne pojawiają się również, gdy patrzy się na jasne źródło punktowe przez półprzezroczystą tkaninę parasolową o drobnej podziałce. Dekoracyjne wzorzyste folie plastikowe na bazie odblaskowych łat siatki są niedrogie i powszechne. Podobna separacja kolorów widoczna w cienkich warstwach oleju (lub benzyny itp.) Na wodzie, znana jako opalizacja , nie jest spowodowana dyfrakcją na siatce, ale raczej interferencją cienkiej warstwy z blisko ułożonych warstw przepuszczalnych.

Teoria operacji

Siatka dyfrakcyjna odbijająca tylko zieloną część widma światła fluorescencyjnego w pomieszczeniu

W przypadku siatki dyfrakcyjnej związek między odstępami między siatkami (tj. odległością między sąsiednimi rowkami lub szczelinami siatki), kątem padania fali (światła) na siatkę i ugiętą falą od siatki jest znany jako siatka równanie. Podobnie jak wiele innych wzorów optycznych, równanie siatki można wyprowadzić za pomocą zasady Huygensa-Fresnela , stwierdzającej, że każdy punkt na czole fali rozchodzącej się można uznać za źródło fali punktowej, a czoło fali w dowolnym kolejnym punkcie może można znaleźć, dodając wkłady z każdego z tych pojedynczych źródeł fal punktowych na poprzednim froncie fali.

Siatki mogą być typu „odblaskowego” lub „przepuszczalnego”, analogicznie odpowiednio do lustra lub soczewki. Siatka ma „tryb zerowego rzędu” (gdzie całkowity rząd dyfrakcji m jest ustawiony na zero), w którym promień światła zachowuje się zgodnie z prawami odbicia (jak lustro) i załamania (jak soczewka), odpowiednio.

Diagram przedstawiający różnicę dróg między promieniami światła rozproszonymi z sąsiednich linijek w tym samym lokalnym położeniu na każdej linijce odblaskowej siatki dyfrakcyjnej (właściwie płomiennej siatki). Wybór + lub - we wzorze na różnicę dróg zależy od tego, która ścieżka promienia jest odniesieniem, z którego obliczana jest różnica. Należy zauważyć, że para części toru czarnego promienia i para części toru jasnozielonego promienia nie mają różnicy w każdej parze, podczas gdy istnieje różnica toru w parze części toru czerwonego promienia, która ma znaczenie przy wyprowadzaniu równania siatki dyfrakcyjnej.

Wyidealizowana siatka dyfrakcyjna składa się z zestawu szczelin w $,$ które muszą być szersze niż długość fali będącej przedmiotem zainteresowania, aby spowodować dyfrakcję. $na siatkę$ , że płaska fala monochromatycznego światła o długości fali przy normalnym padaniu (tj. czoła fali fali padającej są równoległe do głównej płaszczyzny siatki), każda szczelina w siatce działa jak fala quasi-punktowa λ {\ displaystyle \ lambda} źródło, z którego światło rozchodzi się we wszystkich kierunkach (chociaż jest to zwykle ograniczone do przedniej półkuli od źródła punktowego). Oczywiście każdy punkt na każdej szczelinie, do którego dociera fala padająca, jest źródłem fali punktowej dla fali dyfrakcyjnej i wszystkie te udziały w fali dyfrakcyjnej określają szczegółowy rozkład właściwości światła fali dyfrakcyjnej, ale kąty dyfrakcji (na siatce) przy których natężenie fali dyfrakcyjnej jest największe, określają tylko te quasi-punktowe źródła odpowiadające szczelinom w siatce. Po interakcji padającego światła (fali) z siatką, powstałe ugięte światło z siatki składa się z sumy zakłócających składowych fal emanujących z każdej szczeliny w siatce; W dowolnym punkcie przestrzeni, przez który może przechodzić ugięte światło, zwykle nazywanym punktem obserwacyjnym, długość ścieżki od każdej szczeliny w siatce do danego punktu jest różna, więc faza fali emanującej z każdej ze szczelin w tym punkcie również różni się. W rezultacie suma fal ugiętych ze szczelin siatki w danym punkcie obserwacyjnym tworzy szczyt, dolinę lub pewien stopień między nimi w natężeniu światła poprzez addytywną i destrukcyjną interferencję . $między drogami światła z$ nieparzystej wielokrotności połowy długości fali, z nieparzystą liczba całkowita $. Podobnie, gdy różnica$ fale są w tym punkcie przesunięte w fazie, a tym samym znoszą się nawzajem, tworząc (lokalnie) minimalne natężenie światła $.$ jest wielokrotnością , fale są w fazie i występuje (lokalnie) maksymalna intensywność W przypadku światła padającego normalnie na siatkę maksima natężenia występują przy kątach dyfrakcji $,$ które spełniają zależność ${m} = m \ lambda}$ ${\ Displaystyle d \ sin$ $_$ $od$ gdzie kątem między promieniem ugiętym a wektorem normalnym siatki jest odległością środka jednego szczelina do środka sąsiedniej szczeliny, a jest liczbą całkowitą reprezentującą $tryb$ propagacji zwany porządkiem dyfrakcji.

Porównanie widm uzyskanych z siatki dyfrakcyjnej metodą dyfrakcji (1) i pryzmatu metodą refrakcji (2). Dłuższe fale (czerwony) są bardziej ugięte, ale mniej załamane niż krótsze fale (fioletowe).

Intensywność jako mapa ciepła dla światła monochromatycznego za siatką

Kiedy płaska fala świetlna normalnie pada na siatkę, ugięte światło ma maksima przy kątach dyfrakcji określonych równaniem dyfrakcji jako ${\ displaystyle \ theta _ {m}}$

{\ Displaystyle d \ sin \ teta _ {m} = m \ lambda.}

Można wykazać, że jeśli fala płaska pada pod dowolnym kątem do normalnej siatki, równanie siatki staje się ${\ displaystyle \ theta _ {i}}$

{\ Displaystyle d (\ sin \ teta _ {i} - \ sin \ teta _ {m}) = m \ lambda}

lub

{\ Displaystyle d (\ sin \ theta _ {m} - \ sin \ theta _ {i}) = m \ lambda.} Każdy

wybór jest w porządku, o ile wybór jest utrzymywany przez obliczenia związane z dyfrakcją.

tego różnica między dwoma wyborami

to

znaki rzędów dyfrakcji, np. przy pierwszym wyborze przy Po rozwiązaniu dla kąta dyfrakcji, przy którym intensywność fali dyfrakcyjnej jest maksymalna, równanie staje się

{\ Displaystyle \ theta _ {m} = \ arcsin \! \ lewo (\ sin \ theta _ {i} - {\ Frac {m \ lambda} {d}} \ prawej).}

Ugięte światło, które odpowiada bezpośredniej transmisji dla przepuszczalnej siatki dyfrakcyjnej lub odbiciu zwierciadlanemu dla siatki odblaskowej, nazywane jest rzędem zerowym i jest oznaczane ${\ displaystyle m = 0}$ . Inne maksima natężenia światła ugiętego występują pod kątami $rzędy$ $niezerowe$ dyfrakcji liczb całkowitych Zauważ, że może być $ujemna$ , co odpowiada ugiętym rzędom po obu stronach ugiętej wiązki zerowego rzędu.

Nawet jeśli równanie siatki pochodzi z określonej siatki, takiej jak siatka na prawym schemacie (ta siatka jest nazywana siatką płonącą), równanie to można zastosować do dowolnej regularnej struktury o tych samych odstępach, ponieważ zależność fazowa między rozproszonym światłem od sąsiednich elementów dyfrakcyjnych siatki pozostaje taka sama. Szczegółowy rozkład właściwości światła ugiętego (np. intensywność) zależy od szczegółowej struktury elementów siatki, a także od liczby elementów w siatce, ale zawsze daje maksima w kierunkach określonych przez równanie siatki.

W zależności od tego, jak siatka moduluje padające na nią światło, powodując ugięcie światła, istnieją następujące typy krat.

Siatka dyfrakcyjna amplitudy transmisji , która przestrzennie i okresowo moduluje intensywność padającej fali, która przechodzi przez siatkę (a fala dyfrakcyjna jest konsekwencją tej modulacji).
Siatki dyfrakcyjne amplitudy odbicia, które przestrzennie i okresowo modulują intensywność padającej fali odbijanej od siatki.
Siatka dyfrakcyjna fazy transmisyjnej, która przestrzennie i okresowo moduluje fazę padającej fali przechodzącej przez siatkę.
Siatka dyfrakcyjna fazy odbicia, która przestrzennie i okresowo moduluje fazę padającej fali odbitej od siatki.

Siatka dyfrakcyjna osi optycznej , w której oś optyczna jest modulowana przestrzennie i okresowo, jest również uważana za siatkę dyfrakcyjną fazy odbicia lub transmisji.

Równanie siatki ma zastosowanie do wszystkich tych siatek ze względu na tę samą zależność fazową między ugiętymi falami z sąsiednich elementów dyfrakcyjnych siatek, nawet jeśli szczegółowy rozkład właściwości ugiętej fali zależy od szczegółowej struktury każdej siatki.

Elektrodynamika kwantowa

Spiralna lampa fluorescencyjna sfotografowana w odbiciowej siatce dyfrakcyjnej, pokazująca różne linie widmowe wytwarzane przez lampę.

Elektrodynamika kwantowa (QED) oferuje inne wyprowadzenie właściwości siatki dyfrakcyjnej w kategoriach fotonów jako cząstek (na pewnym poziomie). QED można opisać intuicyjnie za pomocą całkowego sformułowania mechaniki kwantowej. W związku z tym może modelować fotony jako potencjalnie podążające wszystkimi ścieżkami od źródła do punktu końcowego, przy czym każda ścieżka ma określoną amplitudę prawdopodobieństwa . Te amplitudy prawdopodobieństwa można przedstawić jako liczbę zespoloną lub równoważny wektor - lub, jak Richard Feynman w swojej książce o QED, „strzałki”.

Dla prawdopodobieństwa wystąpienia określonego zdarzenia sumuje się amplitudy prawdopodobieństwa dla wszystkich możliwych sposobów, w jakie zdarzenie może wystąpić, a następnie oblicza się kwadrat długości wyniku. Amplituda prawdopodobieństwa dotarcia fotonu ze źródła monochromatycznego do określonego punktu końcowego w danym czasie, w tym przypadku, może być modelowana jako strzała, która szybko się obraca, dopóki nie zostanie oceniona, kiedy foton osiągnie punkt końcowy. Na przykład dla prawdopodobieństwa, że foton odbije się od lustra i będzie obserwowany w danym punkcie po określonym czasie, ustala się amplitudę prawdopodobieństwa fotonu, który wiruje, gdy opuszcza źródło, podąża za nim do lustra, a następnie do punktu końcowego, nawet w przypadku ścieżek, które nie wymagają odbijania się od lustra pod równymi kątami. Następnie można ocenić amplitudę prawdopodobieństwa w końcowym punkcie fotonu; następnie można scałkować po wszystkich tych strzałkach (patrz suma wektorów ) i podnieść wynik do kwadratu, aby uzyskać prawdopodobieństwo, że foton odbije się od lustra w odpowiedni sposób. Czas trwania tych ścieżek określa kąt strzałki amplitudy prawdopodobieństwa, ponieważ można powiedzieć, że „wirują” ze stałą prędkością (która jest związana z częstotliwością fotonu).

Czasy torów w pobliżu klasycznego miejsca odbicia zwierciadła są prawie takie same, więc amplitudy prawdopodobieństwa wskazują prawie ten sam kierunek, a więc mają pokaźną sumę. Badanie ścieżek w kierunku krawędzi lustra ujawnia, że czasy pobliskich ścieżek są dość różne od siebie, a zatem kończymy sumowanie wektorów, które szybko się znoszą. Istnieje więc większe prawdopodobieństwo, że światło będzie podążać ścieżką odbicia zbliżoną do klasycznej niż ścieżką dalej. Jednak z tego lustra można zrobić siatkę dyfrakcyjną, usuwając obszary w pobliżu krawędzi lustra, które zwykle eliminują pobliskie amplitudy - ale teraz, ponieważ fotony nie odbijają się od zeskrobanych części, amplitudy prawdopodobieństwa które wskazywałyby na przykład czterdzieści pięć stopni, mogą mieć znaczną sumę. Dzięki temu światło o odpowiedniej częstotliwości sumuje się z większą amplitudą prawdopodobieństwa i jako takie ma większe prawdopodobieństwo dotarcia do odpowiedniego punktu końcowego.

Ten konkretny opis zawiera wiele uproszczeń: źródło punktowe, „powierzchnia”, od której światło może się odbijać (pomijając w ten sposób interakcje z elektronami) i tak dalej. Największym uproszczeniem jest być może fakt, że „obracanie się” strzałek amplitudy prawdopodobieństwa jest w rzeczywistości dokładniej wyjaśnione jako „obracanie się” źródła, ponieważ amplitudy prawdopodobieństwa fotonów nie „wirują” podczas ich tranzytu. Otrzymujemy tę samą zmianę amplitud prawdopodobieństwa, pozwalając, aby czas, w którym foton opuścił źródło, był nieokreślony - a czas ścieżki mówi nam teraz, kiedy foton opuściłby źródło, a zatem jaki jest kąt jego „strzałki” byłoby. Jednak ten model i przybliżenie są rozsądne, aby koncepcyjnie zilustrować siatkę dyfrakcyjną. Światło o innej częstotliwości może również odbijać się od tej samej siatki dyfrakcyjnej, ale z innym punktem końcowym.

Kraty jako elementy dyspersyjne

Zależność długości fali w równaniu siatki pokazuje, że siatka rozdziela padającą wiązkę polichromatyczną na jej składowe składowe długości fali pod różnymi kątami, tj. jest ona dyspersyjna kątowo . Każda długość fali widma wiązki wejściowej jest wysyłana w innym kierunku, tworząc tęczę kolorów w świetle białym. Jest to wizualnie podobne do działania pryzmatu , chociaż mechanizm jest zupełnie inny. Pryzmat załamuje fale o różnych długościach fal pod różnymi kątami ze względu na ich różne współczynniki załamania światła, podczas gdy siatka ugina różne długości fal pod różnymi kątami z powodu interferencji na każdej długości fali.

Żarówka latarki widziana przez siatkę przepuszczalną, pokazująca dwa ugięte rzędy . Rząd m = 0 odpowiada bezpośredniej transmisji światła przez siatkę. W pierwszym rzędzie dodatnim ( m = +1) kolory o wzrastających długościach fal (od niebieskiego do czerwonego) są załamywane pod rosnącymi kątami.

Ugięte wiązki odpowiadające kolejnym rzędom mogą się nakładać, w zależności od składu widmowego padającej wiązki i gęstości siatki. Im wyższy rząd widmowy, tym większe nakładanie się na następny rząd.

Wiązka lasera argonowego składająca się z wielu kolorów (długości fal) uderza w krzemową siatkę zwierciadła dyfrakcyjnego i jest rozdzielana na kilka wiązek, po jednej dla każdej długości fali. Długość fali to (od lewej do prawej) 458 nm, 476 nm, 488 nm, 497 nm, 502 nm i 515 nm.

Równanie siatki pokazuje, że kąty ugiętych rzędów zależą tylko od okresu rowków, a nie od ich kształtu. Kontrolując profil przekroju poprzecznego rowków, możliwe jest skoncentrowanie większości ugiętej energii optycznej w określonej kolejności dla danej długości fali. Powszechnie stosowany jest profil trójkątny. Ta technika nazywa się płonącym . Kąt padania i długość fali, dla których dyfrakcja jest najbardziej wydajna (stosunek ugiętej energii optycznej do energii padającej jest najwyższy) są często nazywane kątem i długością fali. Wydajność siatki może również zależeć od polaryzacji padającego światła. Kraty są zwykle oznaczane przez ich gęstość rowków , liczbę rowków na jednostkę długości, zwykle wyrażaną w rowkach na milimetr (g/mm), również równą odwrotności okresu rowka. Okres rowka musi być rzędu długości fali będącej przedmiotem zainteresowania; zakres widmowy objęty siatką jest zależny od rozstawu rowków i jest taki sam dla siatek prostoliniowych i holograficznych o tej samej stałej siatki (czyli gęstości rowków lub okresu rowków). Maksymalna długość fali, jaką może ugiąć siatka, jest równa dwukrotności okresu siatki, w którym to przypadku padające i ugięte światło znajduje się pod kątem dziewięćdziesięciu stopni (90 °) w stosunku do normalnej siatki. Aby uzyskać dyspersję częstotliwości w szerszym zakresie częstotliwości, należy użyć pryzmatu . Reżim optyczny, w którym najczęściej stosuje się siatki, odpowiada długości fali od 100 nm do 10 µm . W takim przypadku gęstość rowków może wahać się od kilkudziesięciu rowków na milimetr, jak w kratach echelle , do kilku tysięcy rowków na milimetr.

Kiedy odstęp między rowkami jest mniejszy niż połowa długości fali światła, jedynym obecnym rzędem jest rząd m = 0. Siatki o tak małej okresowości (w stosunku do długości fali padającego światła) nazywane są siatkami podfalowymi i wykazują szczególne właściwości optyczne. wykonane na izotropowym powodują powstawanie dwójłomności , w której materiał zachowuje się tak, jakby był dwójłomny .

Produkcja

Siatka dyfrakcyjna wytrawiona na płytach.

Kraty SR (Surface Relief).

Kraty SR nazywane są ze względu na strukturę powierzchniową zagłębień (wysokie urzeźbienie) i wzniesień (wysokie urzeźbienie). Pierwotnie siatkami o wysokiej rozdzielczości rządziły wysokiej jakości silniki rządzące , których budowa była dużym przedsięwzięciem. Henry Joseph Grayson zaprojektował maszynę do wykonywania siatek dyfrakcyjnych, uzyskując jedną ze 120 000 linii na cal (około 4724 linii na mm) w 1899 r. Później techniki fotolitograficzne tworzyły siatki za pomocą holograficznych wzorów interferencyjnych. Siatka holograficzna ma sinusoidalne rowki w wyniku optycznego sinusoidalnego wzoru interferencji na materiale siatki podczas jej wytwarzania i może nie być tak wydajna jak siatki prostoliniowe, ale często jest preferowana w monochromatorach, ponieważ wytwarzają mniej światła rozproszonego . Technika kopiowania może tworzyć wysokiej jakości repliki z krat wzorcowych dowolnego typu, obniżając w ten sposób koszty produkcji.

Obecnie technologia półprzewodnikowa jest również wykorzystywana do wytrawiania siatek z holograficznymi wzorami w wytrzymałych materiałach, takich jak topiona krzemionka. W ten sposób holografia o niskim rozproszeniu światła jest połączona z wysoką wydajnością głębokich, wytrawionych siatek transmisyjnych i może być włączona do niskonakładowej technologii produkcji półprzewodników na dużą skalę.

Siatki VPH (Volume Phase Holography).

Inna metoda wytwarzania siatek dyfrakcyjnych wykorzystuje światłoczuły żel umieszczony pomiędzy dwoma podłożami. Holograficzny wzór interferencji odsłania żel, który jest później rozwijany. Siatki te, zwane siatkami dyfrakcyjnymi holografii objętościowo-fazowej (lub siatkami dyfrakcyjnymi VPH), nie mają fizycznych rowków, ale zamiast tego okresową modulację współczynnika załamania światła w żelu. Usuwa to wiele rozpraszania powierzchni typowych dla innych typów siatek. Te kraty mają również zwykle wyższą wydajność i pozwalają na włączenie skomplikowanych wzorów do jednej siatki. Siatka dyfrakcyjna VPH jest zwykle siatką przepuszczającą, przez którą padające światło przechodzi i jest uginana, ale siatkę odbiciową VPH można również wykonać przez nachylenie kierunku modulacji współczynnika załamania światła względem powierzchni siatki. W starszych wersjach takich siatek podatność środowiska była kompromisem, ponieważ żel musiał być przechowywany w niskiej temperaturze i wilgotności. Zazwyczaj substancje światłoczułe są uszczelnione między dwoma podłożami, co czyni je odpornymi na wilgoć oraz naprężenia termiczne i mechaniczne. Siatki dyfrakcyjne VPH nie niszczą się przy przypadkowym dotknięciu i są bardziej odporne na zarysowania niż typowe siatki reliefowe.

Inne kraty

Nową technologią wprowadzania siatek do zintegrowanych fotonicznych obwodów fal świetlnych jest cyfrowa holografia planarna (DPH). Siatki DPH są generowane komputerowo i wytwarzane na jednym lub kilku interfejsach planarnego światłowodu przy użyciu standardowych metod mikrolitografii lub nanoimprintingu, kompatybilnych z masową produkcją. Światło rozchodzi się wewnątrz siatek DPH, ograniczone gradientem współczynnika załamania światła, co zapewnia dłuższą drogę interakcji i większą elastyczność w sterowaniu światłem.

Przykłady

Rowki płyty kompaktowej mogą działać jak krata i wytwarzać opalizujące refleksy.

Siatki dyfrakcyjne są często stosowane w monochromatorach , spektrometrach , laserach , urządzeniach do multipleksowania z podziałem długości fal , urządzeniach do kompresji impulsów optycznych i wielu innych instrumentach optycznych.

Zwykłe tłoczone nośniki CD i DVD są codziennymi przykładami siatek dyfrakcyjnych i można ich użyć do zademonstrowania efektu, odbijając od nich światło słoneczne na białej ścianie. Jest to efekt uboczny ich produkcji, ponieważ jedna powierzchnia płyty CD ma wiele małych wgłębień w plastiku, ułożonych spiralnie; ta powierzchnia ma nałożoną cienką warstwę metalu, aby wgłębienia były bardziej widoczne. Struktura płyty DVD jest optycznie podobna, chociaż może mieć więcej niż jedną powierzchnię z wżerami, a wszystkie powierzchnie z wżerami znajdują się wewnątrz dysku.

Ze względu na wrażliwość na współczynnik załamania ośrodka, siatka dyfrakcyjna może być wykorzystana jako czujnik właściwości płynu.

W przypadku standardowej tłoczonej płyty winylowej , oglądanej pod małym kątem prostopadle do rowków, widoczny jest podobny, ale mniej wyraźny efekt, jak w przypadku płyt CD/DVD. Wynika to z kąta widzenia (mniejszego niż krytyczny kąt odbicia czarnego winylu) i ścieżki odbijanego światła, ponieważ jest ona zmieniana przez rowki, pozostawiając za sobą tęczowy relief.

Siatki dyfrakcyjne służą również do równomiernego rozprowadzania światła z przodu czytników elektronicznych, takich jak Nook Simple Touch z GlowLight .

Kraty z elementów elektronicznych

Dyfrakcja reflektora nad telefonem komórkowym

Niektóre elementy elektroniczne codziennego użytku zawierają drobne i regularne wzory, w wyniku czego chętnie służą jako siatki dyfrakcyjne. Na przykład czujniki CCD z wyrzuconych telefonów komórkowych i aparatów fotograficznych można usunąć z urządzenia. Dzięki wskaźnikowi laserowemu dyfrakcja może ujawnić strukturę przestrzenną czujników CCD. Można to zrobić również w przypadku wyświetlaczy LCD lub LED smartfonów. Ponieważ takie wyświetlacze są zwykle chronione tylko przezroczystą obudową, eksperymenty można przeprowadzać bez uszkadzania telefonów. Jeśli dokładne pomiary nie są zamierzone, reflektor może ujawnić wzory dyfrakcyjne.

Naturalne kraty

Biofilm na powierzchni akwarium wytwarza efekt siatki dyfrakcyjnej, gdy wszystkie bakterie są równomiernie rozmieszczone i wielkości . Takie zjawiska są przykładem pierścieni Quetelet .

Mięsień prążkowany jest najczęściej spotykaną naturalną siatką dyfrakcyjną, co pomogło fizjologom w określeniu struktury takiego mięśnia. Poza tym strukturę chemiczną kryształów można traktować jako siatki dyfrakcyjne dla typów promieniowania elektromagnetycznego innych niż światło widzialne, co jest podstawą technik takich jak krystalografia rentgenowska .

Najczęściej mylone z siatkami dyfrakcyjnymi są opalizujące kolory pawich piór , masy perłowej i skrzydeł motyli . Opalizacja ptaków, ryb i owadów jest często spowodowana interferencją cienkowarstwową, a nie siatką dyfrakcyjną. Dyfrakcja wytwarza całe spektrum kolorów wraz ze zmianą kąta widzenia, podczas gdy interferencja cienkowarstwowa zwykle daje znacznie węższy zakres. Powierzchnie kwiatów również mogą powodować dyfrakcję, ale struktury komórkowe w roślinach są zwykle zbyt nieregularne, aby wytworzyć drobną geometrię szczelin niezbędną dla siatki dyfrakcyjnej. Sygnał opalizujący kwiatów jest zatem zauważalny tylko bardzo lokalnie, a zatem nie jest widoczny dla człowieka i owadów odwiedzających kwiaty. Jednak naturalne kraty występują u niektórych bezkręgowców, takich jak pawie pająki , czułki krewetek nasiennych , a nawet zostały odkryte w skamieniałościach łupków z Burgess .

Efekty siatki dyfrakcyjnej są czasem widoczne w meteorologii . Korony dyfrakcyjne to kolorowe pierścienie otaczające źródło światła, takie jak słońce. Są one zwykle obserwowane znacznie bliżej źródła światła niż halo i są powodowane przez bardzo drobne cząstki, takie jak kropelki wody, kryształki lodu lub cząsteczki dymu na zamglonym niebie. Kiedy wszystkie cząstki są prawie tej samej wielkości, uginają wpadające światło pod bardzo określonymi kątami. Dokładny kąt zależy od wielkości cząstek. Korony dyfrakcyjne są powszechnie obserwowane we mgle wokół źródeł światła, takich jak płomienie świec lub latarnie uliczne. Opalizacja chmur jest spowodowana dyfrakcją występującą wzdłuż pierścieni koronalnych, gdy wszystkie cząstki w chmurach mają jednakową wielkość.

Zobacz też

Notatki

Ten artykuł zawiera materiały należące do domeny publicznej z normy federalnej 1037C . Administracja usług ogólnych . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 22 stycznia 2022 r.
Hutley, Michael (1982). Siatki dyfrakcyjne . Techniki Fizyki. Tom. 6. Prasa akademicka. ISBN 978-0-12-362980-7 . ISSN 0308-5392 .
Loewen, Erwin; Popow, Jewgienij (1997). Siatki dyfrakcyjne i zastosowania . CRC. ISBN 978-0-8247-9923-6 .
Palmer, Christopher (2020). „Podręcznik siatki dyfrakcyjnej” (wyd. 8). MKS Nowy Port.
Greenslade, Thomas B. (2004). „Drutowe siatki dyfrakcyjne” . Nauczyciel fizyki . 42 (2): 76–77. Bibcode : 2004PhTea..42...76G . doi : 10.1119/1.1646480 .
Abrahams, Piotr. „Wczesne instrumenty spektroskopii astronomicznej” .
Grossman, William EL (wrzesień 1993). „Charakterystyka optyczna i produkcja siatek dyfrakcyjnych: ilościowe wyjaśnienie ich właściwości eksperymentalnych wraz z opisem ich wytwarzania i względnych zalet”. J. Chem. Edukacja . 70 (9): 741. Bibcode : 1993JChEd..70..741G . doi : 10.1021/ed070p741 .
„Siatki holograficzne fazy objętościowej” . Narodowe obserwatoria astronomii optycznej.

Linki zewnętrzne