Дифракционная решетка

Оптический компонент, который разделяет свет на несколько лучей.

Очень большая отражающая дифракционная решетка

Лампочка накаливания, видимая через фильтр с дифракционными эффектами.

Дифракционная решетка

В оптике дифракционная решетка — это оптическая решетка с периодической структурой, которая дифрагирует свет или другой тип электромагнитного излучения на несколько лучей, распространяющихся в разных направлениях (т. е. под разными углами дифракции). Возникающая окраска является формой структурной окраски . ^{[1] [2]} Направления или углы дифракции этих лучей зависят от угла падения волны (света) на дифракционную решетку, интервала или периодического расстояния между соседними дифракционными элементами (например, параллельными щелями для пропускающей решетки) на решетке и длины волны падающего света. Решетка действует как дисперсионный элемент. Из-за этого дифракционные решетки обычно используются в монохроматорах и спектрометрах , но возможны и другие применения, такие как оптические энкодеры для высокоточного управления движением ^[3] и измерения волнового фронта . ^{[4] [5]}

Для типичных применений отражательная решетка имеет гребни или линии на своей поверхности, в то время как пропускающая решетка имеет пропускающие или полые щели на своей поверхности. ^[6] Такая решетка модулирует амплитуду падающей волны, чтобы создать дифракционную картину. Некоторые решетки модулируют фазы падающих волн, а не амплитуду, и эти типы решеток часто могут быть получены с помощью голографии . ^[7]

Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером , что фактически было первой дифракционной решеткой (в естественной форме), которая была открыта примерно через год после экспериментов Исаака Ньютона с призмой . ^[8] Первая искусственная дифракционная решетка была сделана около 1785 года филадельфийским изобретателем Дэвидом Риттенхаусом , который нанизал волосы между двумя тонкими винтами. ^{[9] [10]} Это было похоже на проволочную дифракционную решетку известного немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера, созданную в 1821 году. ^{[11] [12]} Принципы дифракции были открыты Томасом Юнгом ^[13] и Огюстеном-Жаном Френелем . ^{[14] [15]} Используя эти принципы, Фраунгофер первым применил дифракционную решетку для получения линейчатых спектров и первым измерил длины волн спектральных линий с помощью дифракционной решетки.

В 1860-х годах Фридрих Адольф Ноберт (1806–1881) в Грайфсвальде изготовил самые современные дифракционные решетки с малым периодом канавок ( d ) ; ^[16] затем лидерство переняли два американца Льюис Моррис Резерфурд (1816–1892) и Уильям Б. Роджерс (1804–1882). ^{[17] [18]} К концу 19-го века вогнутые решетки Генри Августа Роуленда (1848–1901) были лучшими из доступных. ^{[19] [20]}

Дифракционная решетка может создавать « радужные » цвета, когда она освещается широкоспектральным (например, непрерывным) источником света. Радужные цвета от близко расположенных узких дорожек на оптических дисках хранения данных, таких как CD или DVD, являются примером дифракции света, вызванной дифракционными решетками. Обычная дифракционная решетка имеет параллельные линии (это справедливо для одномерных решеток, но возможны также двух- или трехмерные решетки, и они имеют свои приложения, такие как измерение волнового фронта), в то время как компакт-диск имеет спираль из мелкоразнесенных дорожек данных. Дифракционные цвета также появляются, когда человек смотрит на яркий точечный источник через полупрозрачное мелкоячеистое покрытие зонтичной ткани. Декоративные узорчатые пластиковые пленки на основе отражающих решетчатых пятен недороги и широко распространены. Подобное разделение цветов, наблюдаемое в тонких слоях масла (или бензина и т. п.) на воде, известное как иризация , вызвано не дифракцией на решетке, а скорее интерференцией тонкой пленки из-за близко расположенных пропускающих слоев.

Теория работы

Дифракционная решетка с блестками, отражающая только зеленую часть спектра люминесцентного освещения помещения.

Для дифракционной решетки соотношение между шагом решетки (т. е. расстоянием между соседними канавками или щелями решетки), углом падения волны (света) на решетку и дифрагированной волной от решетки известно как уравнение решетки. Как и многие другие оптические формулы, уравнение решетки может быть выведено с использованием принципа Гюйгенса-Френеля ^[21], утверждающего , что каждая точка на волновом фронте распространяющейся волны может рассматриваться как точечный источник волны, а волновой фронт в любой последующей точке может быть найден путем сложения вкладов от каждого из этих отдельных точечных источников волны на предыдущем волновом фронте.

Решетки могут быть «отражательного» или «пропускающего» типа, аналогично зеркалу или линзе соответственно. Решетка имеет «режим нулевого порядка» (где целый порядок дифракции m равен нулю), в котором луч света ведет себя в соответствии с законами отражения (как зеркало) и преломления (как линза) соответственно.

Диаграмма, показывающая разницу хода лучей света, рассеянных от соседних штрихов в одном и том же локальном положении на каждом штрихе отражательной дифракционной решетки (фактически решетка с бликами). Выбор + или – в формуле разности хода зависит от соглашения о знаках для : плюс, если описывает случай обратного рассеяния, минус, если описывает зеркальное отражение. Обратите внимание, что пара черных частей пути луча и пара светло-зеленых частей пути луча не имеют разницы хода в каждой паре, в то время как в паре красной части пути луча есть разница хода, которая имеет значение при выводе уравнения дифракционной решетки. ${\displaystyle \Theta _{\mathrm {m} }}$ ${\displaystyle \Theta _{\mathrm {m} }=\Theta _{\mathrm {i} }}$

Идеализированная дифракционная решетка состоит из набора щелей с интервалом , который должен быть шире, чем длина волны, представляющая интерес, чтобы вызвать дифракцию. Предполагая, что плоская волна монохроматического света с длиной волны при нормальном падении на решетку (т. е. волновые фронты падающей волны параллельны главной плоскости решетки), каждая щель в решетке действует как квазиточечный источник волны, из которого свет распространяется во всех направлениях (хотя это обычно ограничивается передней полусферой от точечного источника). Конечно, каждая точка на каждой щели, до которой доходит падающая волна, играет роль точечного источника волны для дифракционной волны, и все эти вклады в дифракционную волну определяют детальное распределение световых свойств дифракционной волны, но углы дифракции (на решетке), при которых интенсивность дифракционной волны самая высокая, определяются только этими квазиточечными источниками, соответствующими щелям в решетке. После того, как падающий свет (волна) взаимодействует с решеткой, результирующий дифрагированный свет от решетки состоит из суммы интерферирующих ^[22] волновых компонентов, исходящих из каждой щели в решетке; В любой заданной точке пространства, через которую может пройти дифрагированный свет, обычно называемой точкой наблюдения, длина пути от каждой щели в решетке до данной точки изменяется, поэтому фаза волны, исходящей из каждой из щелей в этой точке, также изменяется. В результате сумма дифрагированных волн от щелей решетки в данной точке наблюдения создает пик, впадину или некоторую степень между ними в интенсивности света посредством аддитивной и деструктивной интерференции . ^[23] Когда разность между путями света от соседних щелей до точки наблюдения равна нечетному целому числу, кратному половине длины волны, l с нечетным целым числом , волны не совпадают по фазе в этой точке и, таким образом, нейтрализуют друг друга, создавая (локально) минимальную интенсивность света. Аналогично, когда разность хода кратна , волны находятся в фазе и (локально) достигается максимальная интенсивность. Для света при нормальном падении на решетку максимумы интенсивности возникают при углах дифракции , которые удовлетворяют соотношению , где — угол между дифрагированным лучом и нормальным вектором решетки , — расстояние от центра одной щели до центра соседней щели, а — целое число, представляющее интересующую моду распространения, называемую порядком дифракции. ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle l(\lambda /2)}$ ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle d\sin \theta _{m}=m\lambda }$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle m}$

Сравнение спектров, полученных с помощью дифракционной решетки путем дифракции (1) и призмы путем рефракции (2). Более длинные волны (красные) дифрагируют сильнее, но преломляются слабее, чем более короткие волны (фиолетовые).

Интенсивность как тепловая карта для монохроматического света за решеткой

Когда плоская световая волна нормально падает на решетку с равномерным периодом , дифрагированный свет имеет максимумы при углах дифракции, определяемых частным случаем уравнения решетки: ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ $${\displaystyle \sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d}}.}$$

Можно показать, что если плоская волна падает под углом относительно нормали решетки, в плоскости, ортогональной периодичности решетки, уравнение решетки становится которое описывает дифракцию в плоскости как частный случай более общего сценария конической или внеплоскостной дифракции, описываемой обобщенным уравнением решетки: где - угол между направлением плоской волны и направлением канавок решетки, который ортогонален как направлениям периодичности решетки, так и нормали решетки. Используются различные соглашения о знаках для , и ; любой выбор хорош, пока выбор сохраняется в расчетах, связанных с дифракцией. При решении для угла дифракции, при котором интенсивность дифрагированной волны максимальна, уравнение становится ${\displaystyle \theta _{i}}$ $${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d}},}$$ $${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }},}$$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \theta _{i}}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle m}$ $${\displaystyle \theta _{m}=\arcsin \!\left(\sin \theta _{i}-{\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }}\right).}$$

Дифрагированный свет, который соответствует прямому пропусканию для пропускающей дифракционной решетки или зеркальному отражению ^[24] для отражающей решетки, называется нулевым порядком и обозначается . Другие максимумы интенсивности дифрагированного света возникают под углами, представленными ненулевыми целыми порядками дифракции . Обратите внимание, что может быть положительным или отрицательным, что соответствует дифрагированным порядкам по обе стороны от дифрагированного пучка нулевого порядка. ${\displaystyle m=0}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle m}$

Даже если уравнение решетки получено из конкретной решетки, такой как решетка на правой диаграмме (эта решетка называется решеткой blazed), уравнение может применяться к любой регулярной структуре с тем же шагом, поскольку фазовое соотношение между светом, рассеянным от соседних дифракционных элементов решетки, остается тем же. Детальное распределение свойств дифрагированного света (например, интенсивности) зависит от детальной структуры элементов решетки, а также от количества элементов в решетке, но оно всегда дает максимумы в направлениях, заданных уравнением решетки.

В зависимости от того, как решетка модулирует падающий на нее свет, вызывая дифракцию света, различают следующие типы решеток: ^[25]

• Дифракционная решетка амплитудного пропускания, которая пространственно и периодически модулирует интенсивность падающей волны, проходящей через решетку (а дифрагированная волна является следствием этой модуляции).
• Дифракционные решетки амплитуды отражения, которые пространственно и периодически модулируют интенсивность падающей волны, отраженной от решетки.
• Пропускающая фазовая дифракционная решетка, которая пространственно и периодически модулирует фазу падающей волны, проходящей через решетку.
• Отражательная фазовая дифракционная решетка, которая пространственно и периодически модулирует фазу падающей волны, отраженной от решетки.

Дифракционная решетка с оптической осью , в которой оптическая ось пространственно и периодически модулируется, также считается отражательной или пропускающей фазовой дифракционной решеткой.

Уравнение решетки применимо ко всем этим решеткам из-за одинакового фазового соотношения между дифрагированными волнами от соседних дифрагирующих элементов решеток, даже если детальное распределение свойств дифрагированной волны зависит от детальной структуры каждой решетки.

Квантовая электродинамика

Спиральная люминесцентная лампа, сфотографированная в яркой отражательно-дифракционной решетке, показывающая различные спектральные линии, создаваемые лампой.

Квантовая электродинамика (КЭД) предлагает другой вывод свойств дифракционной решетки в терминах фотонов как частиц (на некотором уровне). КЭД можно описать интуитивно с помощью формулировки интеграла по траектории квантовой механики. Как таковая, она может моделировать фотоны как потенциально следующие по всем путям от источника до конечной точки, каждый путь с определенной амплитудой вероятности . Эти амплитуды вероятности можно представить в виде комплексного числа или эквивалентного вектора — или, как Ричард Фейнман просто называет их в своей книге о КЭД, «стрелками».

Для вероятности того, что произойдет определенное событие, суммируются амплитуды вероятности для всех возможных способов, которыми может произойти событие, а затем берется квадрат длины результата. Амплитуда вероятности того, что фотон из монохроматического источника достигнет определенной конечной точки в заданное время, в этом случае может быть смоделирована как стрелка, которая быстро вращается, пока не будет оценена, когда фотон достигнет своей конечной точки. Например, для вероятности того, что фотон отразится от зеркала и будет наблюдаться в заданной точке через заданное количество времени, задается амплитуда вероятности фотона, вращающаяся, когда он покидает источник, следует за ним к зеркалу, а затем к своей конечной точке, даже для путей, которые не включают отскок от зеркала под равными углами. Затем можно оценить амплитуду вероятности в конечной точке фотона; далее можно проинтегрировать по всем этим стрелкам (см. векторную сумму ) и возвести в квадрат длину результата, чтобы получить вероятность того, что этот фотон отразится от зеркала соответствующим образом. Время, необходимое для прохождения этих путей, определяет угол наклона стрелки амплитуды вероятности, поскольку они, можно сказать, «вращаются» с постоянной скоростью (которая связана с частотой фотона).

Времена путей около классического места отражения зеркала почти одинаковы, поэтому амплитуды вероятности указывают почти в одном направлении — таким образом, они имеют значительную сумму. Изучение путей к краям зеркала показывает, что времена близлежащих путей довольно сильно отличаются друг от друга, и, таким образом, мы в конечном итоге суммируем векторы, которые быстро сокращаются. Таким образом, существует более высокая вероятность того, что свет будет следовать по почти классическому пути отражения, чем по пути дальше. Однако дифракционную решетку можно сделать из этого зеркала, соскребая области около края зеркала, которые обычно сокращают близлежащие амплитуды — но теперь, поскольку фотоны не отражаются от соскребаемых частей, амплитуды вероятности, которые все будут указывать, например, на сорок пять градусов, могут иметь значительную сумму. Таким образом, это позволяет свету правильной частоты суммироваться с большей амплитудой вероятности и, как таковому, обладать большей вероятностью достижения соответствующей конечной точки.

Это конкретное описание включает в себя множество упрощений: точечный источник, «поверхность», от которой может отражаться свет (таким образом, пренебрегая взаимодействием с электронами) и т. д. Самое большое упрощение, возможно, заключается в том, что «вращение» стрелок амплитуды вероятности на самом деле точнее объяснить как «вращение» источника, поскольку амплитуды вероятности фотонов не «вращаются» во время своего перемещения. Мы получаем ту же вариацию амплитуд вероятности, допуская неопределенность времени, в которое фотон покинул источник, — и время пути теперь говорит нам, когда фотон покинул бы источник, и, таким образом, каким был бы угол его «стрелы». Однако эта модель и приближение являются разумными для концептуальной иллюстрации дифракционной решетки. Свет другой частоты также может отражаться от той же дифракционной решетки, но с другой конечной точкой. ^[26]

Решетки как рассеивающие элементы

Зависимость длины волны в уравнении решетки показывает, что решетка разделяет падающий полихроматический луч на составляющие его компоненты длины волны под разными углами, т. е. она является угловой дисперсией . Каждая длина волны спектра входного луча посылается в разном направлении, создавая радугу цветов при освещении белым светом. Это визуально похоже на работу призмы , хотя механизм сильно отличается. Призма преломляет волны разной длины волны под разными углами из-за их разных показателей преломления, в то время как решетка дифрагирует волны разной длины волны под разными углами из-за интерференции на каждой длине волны.

Лампочка фонарика , видимая через пропускающую решетку, показывающая два порядка дифракции. Порядок m = 0 соответствует прямому прохождению света через решетку. В первом положительном порядке ( m = +1) цвета с увеличивающимися длинами волн ( от синего до красного) дифрагируют под увеличивающимися углами.

Дифрагированные лучи, соответствующие последовательным порядкам, могут перекрываться в зависимости от спектрального состава падающего луча и плотности решетки. Чем выше спектральный порядок, тем больше перекрытие в следующем порядке.

Луч аргонового лазера, состоящий из нескольких цветов (длин волн), попадает на кремниевую дифракционную зеркальную решетку и разделяется на несколько лучей, по одному на каждую длину волны. Длины волн (слева направо) составляют 458 нм, 476 нм, 488 нм, 497 нм, 502 нм и 515 нм.

Уравнение решетки показывает, что углы дифрагированных порядков зависят только от периода канавок, а не от их формы. Управляя профилем поперечного сечения канавок, можно сконцентрировать большую часть дифрагированной оптической энергии в определенном порядке для заданной длины волны. Обычно используется треугольный профиль. Этот метод называется blazing . Угол падения и длина волны, для которых дифракция наиболее эффективна (отношение дифрагированной оптической энергии к падающей энергии является самым высоким), часто называются углом blazing и длиной волны blazing. Эффективность решетки также может зависеть от поляризации падающего света. Решетки обычно обозначаются плотностью канавок , числом канавок на единицу длины, обычно выражаемым в канавках на миллиметр (г/мм), также равным обратной величине периода канавок. Период канавок должен быть порядка интересующей длины волны ; Спектральный диапазон, охватываемый решеткой, зависит от расстояния между канавками и одинаков для линейчатых и голографических решеток с одинаковой постоянной решетки (имеется в виду плотность канавок или период канавок). Максимальная длина волны, которую может дифрагировать решетка, равна удвоенному периоду решетки, в этом случае падающий и дифрагированный свет находятся под углом девяносто градусов (90°) к нормали решетки. Чтобы получить частотную дисперсию на более широкой частоте, необходимо использовать призму . Оптический режим, в котором чаще всего используются решетки, соответствует длинам волн от 100 нм до 10 мкм . В этом случае плотность канавок может варьироваться от нескольких десятков канавок на миллиметр, как в решетках Эшелле , до нескольких тысяч канавок на миллиметр.

Когда расстояние между канавками меньше половины длины волны света, единственным присутствующим порядком является порядок m = 0. Решетки с такой малой периодичностью (по отношению к длине волны падающего света) называются субволновыми решетками и проявляют особые оптические свойства. Изготовленные из изотропного материала субволновые решетки приводят к образованию двулучепреломления , при котором материал ведет себя так, как если бы он был двулучепреломляющим .

Изготовление

Дифракционная решетка, вытравленная на пластинах.

Решетки SR (рельеф поверхности)

Решетки SR названы так из-за структуры поверхности с углублениями (низкий рельеф) и возвышениями (высокий рельеф). Первоначально решетки высокого разрешения изготавливались с помощью высококачественных линейных машин , строительство которых было большой задачей. Генри Джозеф Грейсон спроектировал машину для изготовления дифракционных решеток, добившись успеха с одной из 120 000 линий на дюйм (приблизительно 4724 линий на мм) в 1899 году. Позже фотолитографические методы создали решетки с помощью голографических интерференционных картин. Голографическая решетка имеет синусоидальные канавки в результате оптической синусоидальной интерференционной картины на материале решетки во время ее изготовления и может быть не такой эффективной, как линейчатые решетки, но часто является предпочтительной в монохроматорах , поскольку они производят меньше рассеянного света . Метод копирования позволяет изготавливать высококачественные копии с мастер-решеток любого типа, тем самым снижая затраты на изготовление.

Сегодня полупроводниковая технология также используется для травления голографически структурированных решеток в прочных материалах, таких как плавленый кварц. Таким образом, голография с низким рассеянным светом сочетается с высокой эффективностью глубоких, травленых пропускающих решеток и может быть включена в крупносерийную, недорогую технологию производства полупроводников.

Решетки VPH (объемная фазовая голография)

Другой метод изготовления дифракционных решеток использует светочувствительный гель, зажатый между двумя подложками. Голографическая интерференционная картина обнажает гель, который позже разрабатывается. Эти решетки, называемые объемными фазовыми голографическими дифракционными решетками (или дифракционными решетками VPH), не имеют физических канавок, но вместо этого имеют периодическую модуляцию показателя преломления внутри геля. Это устраняет большую часть эффектов поверхностного рассеяния , обычно наблюдаемых в других типах решеток. Эти решетки также имеют тенденцию иметь более высокую эффективность и позволяют включать сложные узоры в одну решетку. Дифракционная решетка VPH обычно является пропускающей решеткой, через которую проходит падающий свет и дифрагирует, но отражательная решетка VPH также может быть изготовлена ​​путем наклона направления модуляции показателя преломления относительно поверхности решетки. ^[27] В более старых версиях таких решеток восприимчивость к окружающей среде была компромиссом, поскольку гель приходилось содержать при низкой температуре и влажности. Обычно светочувствительные вещества запечатываются между двумя подложками, что делает их устойчивыми к влажности, термическим и механическим нагрузкам. Дифракционные решетки VPH не разрушаются при случайных прикосновениях и более устойчивы к царапинам, чем типичные рельефные решетки.

Полированные решетки

Решетка blazed изготавливается с канавками, имеющими пилообразное поперечное сечение, в отличие от симметричных канавок других решеток. Это позволяет решетке достигать максимальной эффективности дифракции, но только в одном порядке дифракции, который зависит от угла пилообразных канавок, известного как угол blaze. Распространенные применения включают в себя, среди прочего, выбор определенной длины волны для перестраиваемых лазеров .

Другие решетки

Новая технология вставки решеток в интегральные фотонные световые схемы — цифровая планарная голография (DPH). Решетки DPH генерируются на компьютере и изготавливаются на одном или нескольких интерфейсах оптического волновода-планара с использованием стандартных методов микролитографии или наноимпринтинга, совместимых с массовым производством. Свет распространяется внутри решеток DPH, ограниченный градиентом показателя преломления, что обеспечивает более длинный путь взаимодействия и большую гибкость в управлении светом.

Примеры

Канавки компакт-диска могут действовать как решетка и создавать радужные отражения.

Дифракционные решетки часто используются в монохроматорах , спектрометрах , лазерах , устройствах мультиплексирования с разделением по длине волны , устройствах сжатия оптических импульсов , интерферометрах ^[28] и многих других оптических приборах.

Обычные прессованные CD и DVD-носители являются повседневными примерами дифракционных решеток и могут быть использованы для демонстрации эффекта путем отражения солнечного света от них на белую стену. Это побочный эффект их производства, так как одна поверхность CD имеет много маленьких ямок в пластике, расположенных по спирали; эта поверхность имеет тонкий слой металла, нанесенный для того, чтобы ямки были более заметны. Структура DVD оптически похожа, хотя он может иметь более одной ямочной поверхности, и все ямочные поверхности находятся внутри диска. ^{[29] [30]}

Благодаря чувствительности к показателю преломления среды дифракционная решетка может быть использована в качестве датчика свойств жидкости. ^[31]

На стандартной прессованной виниловой пластинке при просмотре под небольшим углом, перпендикулярным канавкам, наблюдается аналогичный, но менее выраженный эффект, как на CD/DVD. Это происходит из-за угла просмотра (меньше критического угла отражения черного винила) и пути отраженного света, который изменяется из-за этого канавками, оставляя после себя радужный рельефный рисунок.

Дифракционные решетки также используются для равномерного распределения подсветки в электронных книгах, таких как Nook Simple Touch с GlowLight . ^[32]

Решетки из электронных компонентов

Дифракция прожектора на мобильном телефоне

Некоторые повседневные электронные компоненты содержат тонкие и регулярные узоры и в результате легко служат дифракционными решетками. Например, датчики CCD из выброшенных мобильных телефонов и камер можно извлечь из устройства. С помощью лазерной указки дифракция может выявить пространственную структуру датчиков CCD. ^[33] Это можно сделать и для ЖК-дисплеев или светодиодных дисплеев смартфонов. Поскольку такие дисплеи обычно защищены только прозрачным корпусом, эксперименты можно проводить, не повреждая телефоны. Если точные измерения не предполагаются, прожектор может выявить дифракционные узоры.

Естественные решетки

Биопленка на поверхности аквариума создает эффект дифракционной решетки , когда все бактерии имеют одинаковый размер и расположены на одинаковом расстоянии. Такие явления являются примером колец Кетле .

Поперечнополосатая мышца является наиболее часто встречающейся естественной дифракционной решеткой ^[34] , и это помогло физиологам определить структуру такой мышцы. Помимо этого, химическую структуру кристаллов можно рассматривать как дифракционные решетки для типов электромагнитного излучения, отличных от видимого света, это является основой для таких методов, как рентгеновская кристаллография .

Чаще всего с дифракционными решетками путают радужные цвета павлиньих перьев, перламутра и крыльев бабочек . Радужность у птиц, ^[35] рыб ^[36] и насекомых ^{[35] [37]} часто вызывается тонкопленочной интерференцией , а не дифракционной решеткой. Дифракция создает весь спектр цветов при изменении угла обзора, тогда как тонкопленочная интерференция обычно создает гораздо более узкий диапазон. Поверхности цветов также могут создавать дифракцию, но клеточные структуры растений обычно слишком нерегулярны, чтобы создавать тонкую щелевую геометрию, необходимую для дифракционной решетки. ^[38] Таким образом, сигнал радужности цветов заметен только очень локально и, следовательно, не виден человеку и насекомым, посещающим цветы. ^{[39] [40]} Однако естественные решетки встречаются у некоторых беспозвоночных животных, таких как павлиньи пауки , ^[41] усики креветок-семян , и даже были обнаружены в окаменелостях сланцев Берджесс . ^{[42] [43]}

Эффекты дифракционной решетки иногда наблюдаются в метеорологии . Дифракционные короны — это красочные кольца, окружающие источник света, например, солнце. Обычно они наблюдаются гораздо ближе к источнику света, чем гало , и вызваны очень мелкими частицами, такими как капли воды, кристаллы льда или частицы дыма в дымчатом небе. Когда все частицы почти одинакового размера, они преломляют входящий свет под очень определенными углами. Точный угол зависит от размера частиц. Дифракционные короны обычно наблюдаются вокруг источников света, таких как пламя свечей или уличные фонари, в тумане. Переливчатость облаков вызвана дифракцией, происходящей вдоль корональных колец, когда все частицы в облаках имеют одинаковый размер. ^[44]

Смотрите также

• Чувствительный к углу пиксель
• Полированная решетка
• Эффективность дифракции
• Дифракция от щелей
• Дифракционный пик
• Дифракционный солнечный парус
• решетка Эшелле
• дифракция Фраунгофера
• Дифракция Фраунгофера (математика)
• дифракция Френеля
• Гризм
• Генри Августус Роуленд
• Эффект Капицы–Дирака
• Формула дифракции Кирхгофа
• N- щелевое интерферометрическое уравнение
• Ультразвуковая решетка
• Виртуально отображаемая фазированная решетка
• Зонная пластина

Примечания

1. Шринивасарао, М. (1999). «Нанооптика в биологическом мире: жуки, бабочки, птицы и моли». Chemical Reviews . 99 (7): 1935–1962. doi :10.1021/cr970080y. PMID  11849015.
2. Киносита, С.; Ёсиока, С.; Миядзаки, Дж. (2008). «Физика структурных цветов». Reports on Progress in Physics . 71 (7): 076401. Bibcode : 2008RPPh...71g6401K. doi : 10.1088/0034-4885/71/7/076401. S2CID  53068819.
3. "Оптические энкодеры". Celera motion . Архивировано из оригинала 12 августа 2020 г. Получено 1 ноября 2021 г.
4. Пол М., Бланчард; Дэвид Дж., Фишер; Саймон К., Вудс; Алан Х., Гринуэй (2000). «Ощущение волнового фронта с фазовым разнесением и искаженной дифракционной решеткой». Прикладная оптика . 39 (35): 6649–6655. Bibcode : 2000ApOpt..39.6649B. doi : 10.1364/AO.39.006649. PMID  18354679.
5. Хироши, Охба; Шиничи, Комацу (1998). «Датчик волнового фронта с использованием двумерной дифракционной решетки». Японский журнал прикладной физики . 37 (6B): 3749–3753. Bibcode : 1998JaJAP..37.3749O. doi : 10.1143/JJAP.37.3749. S2CID  121954416.
6. "Введение в дифракционную решетку" (PDF) . Thor Labs. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. . Получено 30 апреля 2020 г. .
7. AK Yetisen; H Butt; F da Cruz Vasconcellos; Y Montelongo; CAB Davidson; J Blyth; JB Carmody; S Vignolini; U Steiner; JJ Baumberg; TD Wilkinson; CR Lowe (2013). "Направленная светом запись химически настраиваемых узкополосных голографических датчиков". Advanced Optical Materials . 2 (3): 250–254. doi :10.1002/adom.201300375. S2CID  96257175.
8. Письмо Джеймса Грегори Джону Коллинзу от 13 мая 1673 г. Перепечатано в: Риго, Стивен Джордан, ред. (1841). Переписка ученых мужей семнадцатого века… . Том 2. Oxford University Press. С. 251–5.особенно стр. 254
9. Хопкинсон, Ф.; Риттенхаус, Дэвид (1786). «Оптическая проблема, предложенная г-ном Хопкинсоном и решенная г-ном Риттенхаусом». Труды Американского философского общества . 2 : 201–6. doi :10.2307/1005186. JSTOR  1005186.
10. Томас Д. Коуп (1932) «Дифракционная решетка Риттенхауса». Перепечатано в: Риттенхаус, Дэвид (1980). Хиндл, Брук (ред.). Научные труды Дэвида Риттенхауса. Arno Press. стр. 377–382. Bibcode : 1980swdr.book.....R. ISBN 9780405125683.(Репродукция письма Риттенхауза относительно его дифракционной решетки приведена на стр. 369–374.)
11. Фраунгофер, Йозеф фон (1821). «Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben» [Новая модификация света за счет взаимного влияния и дифракции [световых] лучей и ее законов]. Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München (Мемуары Королевской академии наук в Мюнхене) . 8 :3–76.
12. Фраунгофер, Йозеф фон (1823). «Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versure über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben» [Краткий отчет о результатах новых экспериментов по законам света и их теории]. Аннален дер Физик . 74 (8): 337–378. Бибкод : 1823AnP....74..337F. дои : 10.1002/andp.18230740802.
13. Томас Янг (1 января 1804 г.). «Бейкерианская лекция: эксперименты и вычисления, относящиеся к физической оптике». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 94 : 1–16. Bibcode : 1804RSPT...94....1Y. doi : 10.1098/rstl.1804.0001 . S2CID  110408369.. (Примечание: эта лекция была прочитана в Королевском обществе 24 ноября 1803 года.)
14. Френель, Огюстен-Жан (1816), «Mémoire sur la diffraction de la lumière» («Мемуары о дифракции света»), Annales de Chimie et de Physique , vol. 1, стр. 239–81 (март 1816 г.); перепечатано как «Deuxième Mémoire…» («Вторые мемуары…») в Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel , vol. 1 (Париж: Imprimerie Impériale, 1866), стр. 89–122. (Редакция «Первого мемуара», представленного 15 октября 1815 г.)
15. Френель, Огюстен-Жан (1818 г.), «Mémoire sur la diffraction de la lumière» («Мемуары о дифракции света»), депонированы 29 июля 1818 г., «коронованы» 15 марта 1819 г., опубликованы в Mémoires de l'Académie Royale. des Sciences de l'Institut de France , vol.  V (за 1821 и 1822 гг., напечатано в 1826 г.), стр. 339–475; перепечатано в Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel , vol. 1 (Париж: Imprimerie Impériale, 1866), стр. 247–364; частично переведено как «Премия Френеля за воспоминания о дифракции света», в H. Crew (ред.), Волновая теория света: Мемуары Гюйгенса, Юнга и Френеля , American Book Company, 1900, стр. 81–144. ( Впервые опубликовано только в виде отрывков в Annales de Chimie et de Physique , т. 11 (1819), стр. 246–96, 337–78.)
16. Тернер, Г. Л'Э. (1967). «Вклад в науку Фридриха Адольфа Ноберта». Бюллетень Института физики и Физического общества . 18 (10): 338–348. doi :10.1088/0031-9112/18/10/006.
17. Уорнер, Дебора Дж. (1971). «Льюис М. Резерфорд: пионер астрономической фотографии и спектроскопист». Технология и культура . 12 (2): 190–216. doi :10.2307/3102525. JSTOR  3102525. S2CID  112109352.
18. Уорнер, Дебора Дж. (1988). Эра Майкельсона в американской науке 1870-1930 . Нью-Йорк: Американский институт физики. С. 2–12.
19. Хентшель, Клаус (1993). «Открытие красного смещения солнечных линий Фраунгофера Роулендом и Джуэллом в Балтиморе около 1890 года» (PDF) . Исторические исследования в области физических и биологических наук . 23 (2): 219–277. doi :10.2307/27757699. JSTOR  27757699. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
20. Sweetnam, Джордж (2000). The Command of Light: Rowland's School of Physics and the Spectrum . Филадельфия: Американское философское общество. ISBN 978-08716-923-82.
21. "Расширенный принцип Гюйгенса-Френеля", Полевое руководство по атмосферной оптике , 1000 20th Street, Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE, стр. 24, 2004, doi :10.1117/3.549260.p24, ISBN 978-0-8194-5318-1, получено 17 сентября 2023 г.{{citation}}: CS1 maint: location (link)
22. "Интерференция волн". AccessScience . doi :10.1036/1097-8542.348700 . Получено 17 сентября 2023 г. .
23. "destructive interference", SpringerReference , Берлин/Гейдельберг: Springer-Verlag, doi :10.1007/springerreference_12206 (неактивен 1 ноября 2024 г.) , получено 17 сентября 2023 г.{{citation}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
24. "specular reflect", SpringerReference , Берлин/Гейдельберг: Springer-Verlag, doi :10.1007/springerreference_25311 (неактивен 1 ноября 2024 г.) , получено 17 сентября 2023 г.{{citation}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
25. Хехт, Юджин (2017). "10.2.8. Дифракционная решетка". Оптика . Пирсон. стр. 497. ISBN 978-1-292-09693-3.
26. Фейнман, Ричард (1985). QED: Странная теория света и материи. Princeton University Press. ISBN 978-0691083889.
27. "Volume Phase Holographic Gritings". Национальная оптическая астрономическая обсерватория . Июнь 1998 г. Архивировано из оригинала 12 ноября 1999 г.
28. Колесниченко, Павел; Виттенбекер, Лукас; Зигмантас, Донатас (2020). «Полностью симметричный бездисперсионный стабильный пропускающий решетчатый интерферометр Майкельсона». Optics Express . 28 (25): 37752–37757. Bibcode : 2020OExpr..2837752K. doi : 10.1364/OE.409185 . PMID  33379604.
29. Диагностика окружающей среды Ян Цай – CRC Press 2014 Страница 267
30. Балачандран, Рама; Портер-Дэвис, Карен. "ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CD И DVD В КАЧЕСТВЕ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК" (PDF) . Национальная сеть инфраструктуры нанотехнологий . Получено 3 ноября 2023 г. .
31. Сюй, Чжида; Хан, Кевин; Хан, Ибрагим; Ван, Синьхао; Лю, Логан (2014). «Определение показателя преломления жидкости независимо от непрозрачности с использованием оптожидкостного дифракционного датчика». Optics Letters . 39 (20): 6082–6085. arXiv : 1410.0903 . Bibcode : 2014OptL...39.6082X. doi : 10.1364/OL.39.006082. PMID  25361161. S2CID  5087241.
32. "Шаг 17". Разборка Nook Simple Touch с GlowLight . iFixit. 2012.
33. Баррейро, Хесус Дж.; Понс, Ампаро; Баррейро, Хуан К.; Кастро-Паласио, Хуан К.; Монсориу, Хуан А. (март 2014 г.). «Дифракция на электронных компонентах повседневного использования» (PDF) . Американский журнал физики . 82 (3): 257–261. Бибкод : 2014AmJPh..82..257B. дои : 10.1119/1.4830043. hdl : 10251/54288 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
34. Baskin, RJ; Roos, KP; Yeh, Y. (октябрь 1979). "Исследование дифракции света на отдельных волокнах скелетных мышц". Biophys. J . 28 (1): 45–64. Bibcode :1979BpJ....28...45B. doi :10.1016/S0006-3495(79)85158-9. PMC 1328609 . PMID  318066. 
35. Stavenga, DG (2014). «Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурные цвета многих насекомых и птиц». Materials Today: Proceedings . 1 : 109–121. doi : 10.1016/j.matpr.2014.09.007 .
36. Робертс, NW; Маршалл, NJ; Кронин, TW (2012). «Высокие уровни отражательной способности и пуантилистский структурный цвет у рыб, головоногих моллюсков и жуков». Труды Национальной академии наук . 109 (50): E3387. Bibcode : 2012PNAS..109E3387R. doi : 10.1073/pnas.1216282109 . PMC 3528518. PMID  23132935. 
37. Stavenga, DG; Leertouwer, HL; Wilts, BD (2014). «Принципы окраски нимфалиновых бабочек — тонкие пленки, меланин, оммохромы и укладка чешуек на крыльях». Журнал экспериментальной биологии . 217 (12): 2171–2180. doi : 10.1242/jeb.098673 . PMID  24675561.
38. Ван Дер Коой, CJ; Уилтс, Б.Д.; Леертауэр, Х.Л.; Стаал, М.; Эльзенга, JTM; Ставенга, генеральный директор (2014). «Радужные цветы? Вклад поверхностных структур в оптическую передачу сигналов» (PDF) . Новый фитолог . 203 (2): 667–73. дои : 10.1111/nph.12808 . ПМИД  24713039.
39. Ли, Дэвид В. (2007). Палитра природы: наука о цвете растений. Издательство Чикагского университета. С. 255–6. ISBN 978-0-226-47105-1.
40. Ван дер Коой, CJ; Дайер, AG; Ставенга, DG (2015). «Является ли цветочная переливчатость биологически значимым сигналом в передаче сигналов между растениями и опылителями?» (PDF) . New Phytologist . 205 (1): 18–20. doi : 10.1111/nph.13066 . PMID  25243861.
41. Сюн, Бор-Кай; Сиддик, Радванул Хасан; Ставенга, Дукеле Г.; Отто, Юрген К.; Аллен, Майкл С.; Лю, Ин; Лу, Юн-Фэн; Дехейн, Дмитрий Д.; Шоки, Мэтью Д. (22 декабря 2017 г.). «Радужные пауки-павлины вдохновляют на создание миниатюрной сверхпереливающейся оптики». Природные коммуникации . 8 (1): 2278. Бибкод : 2017NatCo...8.2278H. дои : 10.1038/s41467-017-02451-x. ISSN  2041-1723. ПМЦ 5741626 . ПМИД  29273708. 
42. Ли 2007, стр. 41
43. "Coloring in the fossil past". Новости . Музей естественной истории. 15 марта 2006 г. Архивировано из оригинала 12 августа 2010 г. Получено 14 сентября 2010 г.
44. Кеннен, врач общей практики (1985). Поляризованный свет в природе . Издательство Кембриджского университета. стр. 72–73. ISBN 978-0-521-25862-3.

Ссылки

•  В этой статье использованы материалы из общедоступного Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.
• Хатли, Майкл (1982). Дифракционные решетки . Методы физики. Том 6. Academic Press. ISBN 978-0-12-362980-7. ISSN  0308-5392.
• Лёвен, Эрвин; Попов, Евгений (1997). Дифракционные решетки и их применение. CRC. ISBN 978-0-8247-9923-6.
• Палмер, Кристофер (2020). «Справочник по дифракционным решеткам» (8-е изд.). MKS Newport.
• Гринслейд, Томас Б. (2004). «Проволочные дифракционные решетки». The Physics Teacher . 42 (2): 76–77. Bibcode : 2004PhTea..42...76G. doi : 10.1119/1.1646480. Архивировано из оригинала 29 июля 2020 г. Получено 12 июля 2019 г.
• Абрахамс, Питер. «Ранние инструменты астрономической спектроскопии».
• Гроссман, Уильям Э.Л. (сентябрь 1993 г.). «Оптические характеристики и производство дифракционных решеток: количественное объяснение их экспериментальных качеств с описанием их производства и относительных достоинств». J. Chem. Educ . 70 (9): 741. Bibcode :1993JChEd..70..741G. doi :10.1021/ed070p741.
• «Объемные фазовые голографические решетки». Национальные оптические астрономические обсерватории.

Внешние ссылки

• Дифракционные решетки Лекция 9, Youtube
• Дифракционные решетки — важнейший дисперсионный элемент
• Учебник по оптике — Дифракционные решетки, линейчатые и голографические
• Программа трассировки лучей для обработки общих отражающих вогнутых решеток для Windows XP и выше
• Интерференция в дифракционных решетчатых лучах — демонстрация Вольфрама