ДИФРАКЦИО́ННАЯ РЕШЁТКА

ДИФРАКЦИО́ННАЯ РЕШЁТКА, со­во­куп­ность боль­шо­го чис­ла ре­гу­ляр­но рас­по­ло­жен­ных эле­мен­тов (штри­хов, ще­лей, ка­на­вок, вы­сту­пов), на ко­то­рых про­ис­хо­дит ди­фрак­ция све­та. Д. р. спо­соб­на раз­ла­гать па­даю­щий на неё свет в спектр, по­это­му она ис­поль­зу­ет­ся в спек­траль­ных при­бо­рах в ка­че­ст­ве дис­пер­ги­рую­ще­го эле­мен­та. Обыч­но штри­хи на­но­сят на стек­лян­ную или ме­тал­ли­че­скую, пло­скую или во­гну­тую по­верх­ность. Штри­хи с по­сто­ян­ным для дан­ной ре­шёт­ки про­фи­лем по­вто­ря­ют­ся че­рез оди­на­ко­вый про­ме­жу­ток $d$, на­зы­вае­мый пе­рио­дом Д. р. Раз­ли­ча­ют про­пус­ка­тель­ные и от­ра­жа­тель­ные Д. р., ко­то­рые в за­ви­си­мо­сти от то­го, что из­ме­ня­ет­ся – ам­пли­ту­да или фа­за све­то­вой вол­ны, де­лят­ся на ам­пли­туд­ные и фа­зо­вые. Про­стей­шая про­пус­ка­тель­ная ам­пли­туд­ная Д. р. пред­став­ля­ет со­бой ряд ще­лей в не­про­зрач­ном эк­ра­не (рис. 1, а), от­ра­жа­тель­ная ам­пли­туд­ная Д. р. – сис­те­му штри­хов, на­не­сён­ных на плос­кое или во­гну­тое зер­ка­ло (рис. 1, б). Фа­зо­вая Д. р. мо­жет иметь вид про­фи­ли­ро­ван­ной стек­лян­ной пла­сти­ны (про­пус­ка­тель­ная Д. р., рис. 1, в) или про­фи­ли­ро­ван­но­го зер­ка­ла (от­ра­жа­тель­ная Д. р., рис. 1, г). В совр. при­бо­рах при­ме­ня­ют­ся гл. обр. от­ра­жатель­ные фа­зо­вые ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки.

Рис. 1. Виды дифракционных решёток: а – пропускательная амплитудная; б – отражательная амплитудная; в – пропускательная фазовая; г – отражательная фазовая.

Рис. 2. Схема образования спектров с помощью пропускательной дифракционной решётки, состоящей из щелей.

При па­де­нии мо­но­хро­ма­тич. кол­ли­ми­ро­ван­но­го пуч­ка све­та с дли­ной вол­ны $λ$ под уг­лом $α$ на Д. р. с пе­рио­дом $d$ (рис. 2), со­стоя­щую из ще­лей ши­ри­ной $b$, раз­де­лён­ных не­про­зрач­ны­ми про­ме­жут­ка­ми, про­ис­хо­дит ин­тер­фе­рен­ция вто­рич­ных волн, ис­хо­дя­щих из раз­ных ще­лей. В ре­зуль­та­те по­сле фо­ку­си­ров­ки на эк­ра­не об­ра­зу­ют­ся мак­си­му­мы ин­тен­сив­но­сти, по­ло­же­ние ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся урав­не­ни­ем $d(\sinα+\sinβ) = mλ$, где β – угол ме­ж­ду нор­ма­лью к Д. р. и на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния ди­фрак­ци­он­но­го пуч­ка (угол ди­фрак­ции); $m = 0, ±1, ±2, ±3, …$ – чис­ло длин волн, на ко­то­рое вол­на от не­ко­то­ро­го эле­мен­та Д. р. от­ста­ёт от вол­ны, ис­хо­дя­щей от со­сед­не­го эле­мен­та ре­шёт­ки (или опе­ре­жа­ет её). Мо­но­хро­ма­тич. пуч­ки, от­но­ся­щие­ся к раз­ным зна­че­ни­ям $m$, на­зы­ва­ют­ся по­ряд­ком спек­тра, а соз­да­вае­мые ими изо­бра­же­ния вход­ной ще­ли – спек­траль­ны­ми ли­ния­ми $M_1$. Все по­ряд­ки, со­от­вет­ст­вую­щие по­ло­жи­тель­ным и от­ри­ца­тель­ным $m$, сим­мет­рич­ны от­но­си­тель­но ну­ле­во­го. Чем боль­ше ще­лей име­ет Д. р., тем у́же и рез­че спек­траль­ные ли­нии. Ес­ли на Д. р. па­да­ет бе­лый свет, то для ка­ж­дой дли­ны вол­ны по­лу­чит­ся свой на­бор спек­траль­ных ли­ний $M_2$, т. е. из­лу­че­ние бу­дет раз­ло­же­но в спек­тры по чис­лу воз­мож­ных зна­че­ний $m$. От­но­си­тель­ная ин­тен­сив­ность ли­ний оп­ре­де­ля­ет­ся функ­ци­ей рас­пре­де­ле­ния энер­гии от отд. ще­лей.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми Д. р. яв­ля­ются уг­ло­вая дис­пер­сия и раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность. Уг­ло­вая дис­пер­сия $dβ/dλ=m/d\cosβ$ ха­рак­те­ри­зу­ет сте­пень уг­ло­во­го раз­де­ле­ния лу­чей с раз­ной дли­ной вол­ны. Раз­ре­шаю­щая си­ла $R$ Д. р., ха­рак­те­ри­зую­щая ми­ним. ин­тер­вал длин волн $δλ$, ко­то­рый мо­жет раз­де­лить дан­ная Д. р., оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем $R=λ/δλ=mN=Nd(\sinα+\sinβ)/λ$ ($N$ – чис­ло штри­хов ре­шёт­ки). При за­дан­ных уг­лах раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность мож­но уве­ли­чить толь­ко за счёт уве­личе­ния ши­ри­ны всей Д. р. $Nd$. Об­ласть дис­пер­сии Д. р., т. е. ве­ли­чи­на спек­траль­но­го ин­тер­ва­ла $Δλ$, в ко­то­ром спектр дан­но­го по­ряд­ка не пе­ре­кры­ва­ет­ся спек­тра­ми со­сед­них по­ряд­ков, удов­ле­тво­ря­ет со­от­но­ше­нию $Δλ=λ/m$.

Д. р., ис­поль­зуе­мые для ра­бо­ты в раз­ных об­лас­тях спек­тра, раз­ли­ча­ют­ся раз­ме­ра­ми, фор­мой, про­фи­лем штри­хов, их час­то­той (от 6000 штри­хов/мм в рент­ге­нов­ской об­лас­ти до 0,25 штри­хов/мм в ин­фра­крас­ной). По спо­со­бу из­го­тов­ле­ния Д. р. де­лят­ся на на­рез­ные (ори­ги­наль­ные), ре­п­ли­ки (ко­пии с ори­ги­наль­ных Д. р.) и го­ло­гра­фи­че­ские. Ори­ги­наль­ные на­рез­ные Д. р. из­го­тов­ля­ют­ся с по­мо­щью спец. де­ли­тель­ной ма­ши­ны с ал­маз­ным рез­цом, про­филь ко­то­ро­го оп­ре­де­ля­ет фор­му штри­ха. Из­го­тов­ле­ние ре­п­лик со­сто­ит в по­лу­че­нии от­пе­чат­ков Д. р. на пла­ст­мас­сах с по­сле­дую­щим на­не­се­ни­ем на них от­ра­жаю­ще­го ме­тал­лич. слоя. При из­го­тов­ле­нии го­ло­гра­фич. Д. р. на све­то­чув­ст­ви­тель­ном ма­те­риа­ле за­пи­сы­ва­ет­ся ин­тер­фе­рен­ция двух ко­ге­рент­ных ла­зер­ных пуч­ков.

Д. р. ис­поль­зу­ют­ся не толь­ко в спек­тро­гра­фах. Они при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве се­лек­тив­но от­ра­жаю­щих зер­кал ла­зе­ров с пе­ре­страи­вае­мой час­то­той из­лу­че­ния, а так­же в уст­рой­ст­вах, обес­пе­чи­ваю­щих ком­прес­сию све­то­вых им­пуль­сов.

Для управ­ле­ния па­ра­мет­ра­ми ла­зер­но­го из­лу­че­ния ис­поль­зу­ют­ся фа­зо­вые ре­шёт­ки, пред­став­ляю­щие со­бой ре­гу­ляр­ные об­лас­ти сжа­тий и раз­ре­же­ний в жид­ко­стях или про­зрач­ных твёр­дых те­лах, сфор­ми­ро­ван­ные пу­тём воз­бу­ж­де­ния в них УЗ-вол­ны.