Дифракционные решетки нового поколения : Их теория, изготовление и применение в спектральных приборах

• Автор: Соколова, Елена Алексеевна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 283 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ.
Введение
Г лава 1. Дифракционная решетка как основной элемент спектрального прибора.
1.1 .Электромагнитная теория решетки
1.2. Голограммные решетки
1.3. Вогнутые решетки
Глава 2. Геометрическая теория голограммной дифракционной
решетки, записанной в двухступенчатой схеме
Глава 3. Изготовление голограммных дифракционных решеток
при помощи двухступенчатой записи во встречных пучках.
3.1. Изготовление решетки, имеющей 600 штрихов на миллиметр
3.2. Изготовление решетки, имеющей 3600 штрихов на мм
Глава 4. Новые оптические схемы спектральных приборов, и использование голограммных дифракционных решеток нового поколения в новых и ранее известных спектральных инструментах.
4.1. Спектрографы с плоским полем
4.2. Высокоразрешающий спектрометр
4.3. Использование высокоапертурного монохроматора в качестве устройства для предварительной монохроматизации для спектрометра, измеряющего скорость плазмы
4.4. Сканирующий монохроматический осветитель с голограммной дифракционной решеткой и оригинальной сканирующей системой
4.5. Запись решеток для демультиплексоров
4.6. Особенности расчета оптической схемы двойного
монохроматора и его геометрическая теория
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ.
Всякий раз, когда электромагнитная волна сталкивается с преградой , соразмерной ее длине волны, часть энергии на волне рассеяна. Если преграда является периодической, или если имеется периодическое изменение любого параметра, который воздействует на распространение волны, энергия рассеяна в различные дискретные направления, или " порядки дифракции", и структура, которая действует таким образом , может быть названа "дифракционной решеткой". Изменение направления распространения и амплитуда волны в дифрагированном на решетке порядке зависит от отношений между длиной волны и периодом. Таким образом, решетка может диспергировать множество длин волн и формировать спектр. Она исполняет ту же самую функцию, что и призма, но во многих отношениях делает это лучше и более удобна в использовании.
В принципе любая периодическая структура, взаимодействуя с подходящим волновым возмущением, может давать дифрагированные порядки . Также любое волновое возмущение может быть разложено в спектр при условии взаимодействия с подходящей решеткой . Таким образом радиоволны могут взаимодействовать с волнами на поверхности океана и имеются случаи, когда это должно быть принято к рассмотрению в навигационных инструментах. Кристаллы - это периодические структуры атомов, и дифракция на них рентгеновских лучей и электронов - основа кристаллографии. Явление дифракции может быть замечено в природе и в доме: оно ответственно за блеск некоторых перьев птицы, за цвета, которые наблюдаются на граммофонных пластинках и за цветные фигуры, которые замечены,

когда уличный свет рассматривается через ткань зонтика. Есть также история о профессоре, который убедил судью, что дифракция гофрированным железным забором была причиной для ошибочного чтения радиолокационного сигнала определения скорости на дороге1 . Однако, реальное значение решеток заключается в их способности разложения в спектр преимущественно электромагнитного излучения , и в том, что детальным анализом этого спектра можно изучать или источник излучения или среду, через которую это излучение проходило. Термин "спектр" относится или к распределению излучения среди различных длин волны или к изображению этого распределения. Базис спектроскопии - разделение различных длин волн и представление их как спектр. В случаях эмиссии света от атомов в разряде имеются сравнительно немного дискретных длин волн, в то время как в других типах эмиссии ( " черное тело ") - присутствуют все длины волн , и мы имеем непрерывный спектр или " белый свет ". Имеются две категории спектральных приборов, спектрометр, который служит, чтобы изображать и измерять весь спектр и монохроматор, который выбирает и передает единственную длину волны или узкую полосу (диапазон) длин волн от спектра. Инструменты, которые используют решетки, разделяют различные составляющие спектра, перераспределяя излучение в зависимости от длины волны. Чтобы избежать ошибок, излучение должно падать на диспергирующий элемент, который может быть решеткой или призмой, в хорошо определенном направлении, что достигается его прохождением через щель и коллиматор. После того, как излучение было диспергировано, оно фокусируется так, чтобы спектр был показан как ряд изображений щели , расположенных в соответствии с длинами волн. В случае

экспериментальным изучением Хатли и Бердом (1973)64 эффективности синусоидальных решеток для различных длин волн и различных углов падения , покрытых различными материалами, и вычислениями, выполненными МакФедраном и Мейстром65 в Марселе с конечной теорией проводимости, используя экспериментальные данные Хантера из НРЛ Вашингтона для оптических постоянных алюминия, золота и серебра. Согласование было превосходным и две важных серии результатов показаны на рисунках 10 и 11.
Рисунок 10 показывает для единичной длины волны эффективность во всех дифракционных порядках относительно всех углов падения. Он позволяет нам увидеть, для любого данного угла отношения между энергией в различных дифракционных порядках. Например, при угле падения - 20°, мы видим резкое падение эффективности в + 1 порядке и соответствующее ее увеличение в нулевом и - 1 порядках. Поэтому казалось бы, что имеется передача энергии между порядками, энергия из + 1 порядока перераспределяется между - 1 и 0 порядками. Кроме того, наблюдается потеря части суммарной энергии , и мы должны поэтому предположить, что отсутствующая энергия поглощена решеткой. Другой интересный результат- симметрия, которой характеризуется каждая кривая относительно автоколлимации. Фактически это означает, что для данного угла падения, направление падающих и дифрагированных лучей взаимозаменяемо без изменения эффективности. Этот результат - пример теоремы взаимности Геймгольца. Она была доказана теоретически для решеток как конечной, так и бесконечной проводимости65 и очевидность ее подтверждена экспериментально для широкой области применения как для синусоидального, так и для треугольного профиля штриха.