Réseaux de diffraction

Éléments optiques dispersifs · Spectroscopie · Lasers · Télécom · Source : PhotonLab

Les réseaux de diffraction sont des composants optiques clés dans un large éventail d'applications, notamment les spectromètres, d'autres instruments analytiques, les télécommunications et les systèmes laser. Un réseau contient une structure microscopique de rainures périodiques qui divise la lumière incidente en plusieurs trajets de faisceau par diffraction, provoquant la propagation de la lumière de différentes longueurs d'onde dans différentes directions. Cela rend un réseau de diffraction fonctionnellement similaire à un prisme dispersif, bien qu'un prisme sépare les longueurs d'onde par réfraction dépendante de la longueur d'onde- plutôt que par diffraction (Figure 1).

Figure 1. Un prisme dispersif sépare les longueurs d'onde par réfraction (en haut), tandis qu'un réseau de diffraction sépare les longueurs d'onde par diffraction en raison de sa structure de surface (en bas).

La lumière incidente sur un réseau est diffractée selon l'équation du réseau :

Ici,mest un entier décrivant l'ordre de diffraction (ou spectral),λest la longueur d'onde de la lumière,dest l'espacement entre les rainures de la grille, est l'angle d'incidence, et est l'angle diffracté de la lumière sortant du réseau. Une interférence constructive de différents fronts d'onde diffractés se produit à des multiples entiers de la longueur d'onde, c'est pourquoi « m » apparaît dans l'équation (1).mdéfinit l'ordre de diffraction :m= 1 est appelé diffraction du premier-ordre,m= 2 est la diffraction du deuxième-ordre, et ainsi de suite (Figure 2). Sim= 0, la lumière est soit directement réfléchie par le réseau, soit transmise à travers celui-ci, selon qu'il s'agit d'un réseau de réflexion ou de transmission ; c'est ce qu'on appelle la diffraction d'ordre zéro-. Contrairement à un prisme dispersif, les longueurs d'onde plus courtes sont toujours plus proches de la lumière directement réfléchie ou transmise-dans ce cas, le 0ème ordre. Il existe un certain chevauchement entre les différentes commandes. Tous les angles sont mesurés à partir de la normale du réseau (perpendiculaire au réseau).

Figure 2. Une partie de la lumière est réfléchie directement sous forme de diffraction d'ordre 0, tandis que d'autres parties de la lumière incidente sont diffractées selon des angles de premier-ordre en fonction de la longueur d'onde. Les quantités plus petites sont séparées en diffraction d'ordre -angle plus élevé de 2e- et de 3e-ordre.

Ce qu'il faut considérer lors du choix d'une grille

Lors de la sélection d'un réseau, il est important de spécifier la plage de longueurs d'onde, la longueur d'onde de blaze (la longueur d'onde ayant la plus grande efficacité dans le spectre diffracté) et l'angle de blaze. L'angle de flamme décrit l'angle de diffraction du premier-ordre de la longueur d'onde de flamme. À cet angle, et dans l’équation (1) sont égaux, et la lumière incidente est diffractée dans la direction d’où elle provient. Cette condition est également appelée configuration Littrow. Un fonctionnement proche de cet angle donne la plus grande efficacité.

La densité des rainures, ou fréquence des rainures, est généralement spécifiée. C'est l'inverse de l'espacement des rainuresd. Une propriété clé d'un système optique est sa dispersion, mais celle-ci dépend à la fois des propriétés du réseau et de la manière dont celui-ci est utilisé. Sans autres détails du système, un réseau seul ne peut pas se voir attribuer une règle telle que « une certaine rotation correspond à une certaine séparation de longueur d'onde ». Le pouvoir de résolution d'un réseau peut également être spécifié et concerne la résolution spectrale du système. Cependant, cette résolution dépend à la fois de la grille et des fentes d'entrée et de sortie du système. Le pouvoir de résolution de la grilleRdépend de l'ordre spectralmet le nombre de rainures sous éclairageN:

Habituellement, tant de rainures sont éclairées que les fentes d'entrée et de sortie-et non la grille-limitent la résolution du système. Les courbes d'efficacité peuvent également être utilisées pour vérifier le niveau de diffraction sur toutes les longueurs d'onde utilisées dans l'application.

Un réseau doit être au moins aussi grand que le cône ou le faisceau lumineux incident ; sinon la lumière provenant des bords sera perdue. Par conséquent, un réseau doit toujours être sous-rempli pour empêcher la lumière parasite de rebondir autour du système et de générer de faux signaux.

Types de grilles

Réseaux de réflexion et réseaux de transmission

Les deux catégories les plus larges sont les réseaux de réflexion et les réseaux de transmission. Les figures 1 et 2 montrent des réseaux de réflexion : essentiellement des miroirs à rainures microscopiques. Tous les ordres diffractés se reflètent sur le réseau sous différents angles. Un réseau de transmission est comme une lentille avec des rainures microscopiques : tous les ordres diffractés traversent le réseau, mais sont décalés par les angles donnés dans l'équation (1).

Réseaux lignés et réseaux holographiques

Les réseaux de réflexion et de transmission peuvent être divisés en réseaux réglés et réseaux holographiques, qui diffèrent par la manière dont les profils de rainures sont créés. Dans les caillebotis réglés, les rainures sont gravées ou découpées mécaniquement dans le composant. Dans les réseaux holographiques, les rainures sont introduites optiquement : un matériau photosensible appelé photorésist est déposé sur un substrat et exposé à un motif d'interférence optique. La résine photosensible restante est ensuite éliminée chimiquement, laissant le motif de réseau. Les réseaux réglés ont généralement des rainures triangulaires (Figure 3), tandis que les réseaux holographiques ont généralement des rainures sinusoïdales (Figures 3 et 4).

Figure 3. Les réseaux de diffraction réglés ont généralement des rainures triangulaires. Flèche sur la grille : direction du brasier.

Figure 4. Les réseaux de diffraction holographiques ont généralement des rainures sinusoïdales.

Grilles Échelles

Un réseau échelle se caractérise par un espacement de rainures plus grand ou une densité de rainures plus faible que les réseaux ordinaires -généralement environ 10 ×, et parfois jusqu'à 100 ×. L'éclairage d'un réseau échelle à un angle d'incidence élevé ( ) produit une dispersion élevée, une haute résolution et une faible efficacité dépendante de la polarisation-. Ces réseaux sont bien adaptés aux applications nécessitant une haute résolution, telles que les instruments astronomiques sensibles et les systèmes poursuivant une résolution au niveau atomique -.

Grilles planes vs grilles concaves

Tous les types de caillebotis ci-dessus peuvent en outre être divisés en caillebotis plans et caillebotis concaves, décrivant leur forme globale. Les caillebotis plans sont plats et plus courants. Si les rainures sont droites et équidistantes, le réseau est plat et la lumière incidente est collimatée, alors toute la lumière diffractée reste collimatée. Ceci est bénéfique dans de nombreuses applications car les propriétés de focalisation du système deviennent indépendantes de la longueur d'onde. Par rapport aux caillebotis concaves, les caillebotis plans réduisent généralement la complexité du système. Les réseaux concaves sont incurvés, de sorte qu’ils convergent ou divergent la lumière. Ceci est utile pour réduire le nombre total de composants optiques dans un système, mais les propriétés de focalisation dépendent alors de la longueur d'onde.

Applications de grille

Monochromateurs

Un monochromateur utilise un réseau concave ou plan ainsi que des miroirs pour sélectionner une bande étroite de la lumière incidente. Si une source de lumière blanche- pénètre dans un tel appareil, elle filtre toutes les longueurs d'onde à l'exception de la bande de sortie étroite prévue. La figure 5 montre comment un monochromateur fait tourner le réseau de sorte que différentes longueurs d'onde passent par la fente de sortie tandis que toutes les autres longueurs d'onde sont bloquées.

Figure 5. Le monochromateur à réseau plan - (en haut) et le monochromateur à réseau concave - (en bas) font tous deux tourner le réseau pour scanner les ordres de diffraction à travers la fente de sortie et déterminer avec précision quelles longueurs d'onde peuvent quitter l'appareil.

Spectromètres

Comme les monochromateurs, les spectromètres séparent les longueurs d'onde d'une source à large bande, mais ils ne comportent aucune pièce mobile. Au lieu de cela, toutes les longueurs d'onde séparées sont imagées simultanément sur un réseau de détecteurs (Figure 6). Chaque longueur d'onde est imagée sur un ensemble différent de pixels, permettant à l'appareil de déterminer la quantité de chaque longueur d'onde présente dans la source à large bande. Les spectromètres sont généralement utilisés lorsqu'une analyse spectrale rapide est requise, car il n'est pas nécessaire de balayer les longueurs d'onde à travers un détecteur, ce qui permet de gagner du temps.

Figure 6. Le spectromètre à réseau plan-(en haut) et le spectromètre à réseau concave-(en bas) utilisent tous deux un réseau fixe pour séparer les longueurs d'onde incidentes sur différents pixels d'un réseau de détecteurs.

Réglage laser

Il existe plusieurs façons d'utiliser un réseau de diffraction pour régler la sortie spectrale d'un laser ou réduire sa bande de sortie. Le réseau peut être tourné de sorte que seul un ordre de diffraction spécifique quitte le laser ; le réseau peut rester stationnaire pendant qu'un miroir tourne pour filtrer la bande de sortie ; ou le réseau peut remplacer un miroir à l'intérieur du laser pour rétrécir la bande de sortie (Figure 7).

Figure 7. Ces trois configurations montrent différentes manières d'utiliser un réseau pour régler la longueur d'onde de sortie du laser ou réduire la plage de longueurs d'onde de sortie.

Étirement, compression et amplification des impulsions laser

Les impulsions laser courtes, telles que les impulsions ultrarapides, ont souvent une puissance de crête élevée qui peut endommager les revêtements et composants optiques sensibles. Pour éviter cela, une paire de réseaux de diffraction est parfois utilisée pour étirer l'impulsion, augmentant ainsi sa durée et réduisant sa puissance maximale. L'impulsion étirée peut ensuite traverser un amplificateur optique et gagner en puissance sans endommager les composants optiques. Une autre paire de réseaux dans la configuration inverse peut compresser la durée de l'impulsion après l'amplification, produisant une impulsion courte et élevée -de puissance au niveau de la cible (Figure 8).

Figure 8. Les réseaux peuvent être utilisés dans les systèmes laser pulsés à la fois pour augmenter la durée de l'impulsion-empêchant le laser-les dommages induits par le laser-et pour diminuer la durée de l'impulsion, produisant ainsi-des impulsions de puissance élevée sur la cible.