Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭКРАНОВ AMOLED
Развитие новой концептуальной технологии в производстве устройств отображения графической информации
Технология производства устройств отображения на жидких кристаллах или TFT уже очень долго и успешно применяется и находится на пике своей популярности. Но уже сейчас появилась, успешно разрабатывается и даже применяется AMOLED технология производства устройств отображения информации. И, возможно, что уже в самом скором будущем она вытеснит все свои жидкокристаллические аналоги. Далее...

AMOLED экран

дифракционная решётка

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА - оптич. элемент, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (канавок, щелей, выступов), нанесённых тем или иным способом на плоскую или вогнутую оптич. поверхность. Д. р. используется в спектральных приборах в качестве диспергирующей системы для пространственного разложения эл--магн. излучения в спектр. Фронт световой волны, падающей на Д. р., разбивается её штрихами на отдельные когерентные пучки, к-рые, претерпев дифракцию на штрихах, интерферируют (см. Интерференция света), образуя результирующее пространственное распределение интенсивности света - спектр излучения.

Существуют отражательные и прозрачные Д. р. На первых штрихи нанесены на зеркальную (металлич.) поверхность, и результирующая интерференционная картина образуется в отражённом от решётки свете. На вторых штрихи нанесены на прозрачную (стеклянную) поверхность, и интерференц. картина образуется в проходящем свете.

Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то такие Д. р. наз. плоскими, если на вогнутую - вогнутыми. В современных спектральных приборах используются как плоские, так и вогнутые Д. р., гл. обр. отражательные.

Плоские отражательные Д. р., изготовляемые с помощью спец. делительных машин с алмазным резцом, имеют прямолинейные, строго параллельные друг другу и эквидистантные штрихи одинаковой формы, к-рая определяется профилем режущей грани алмазного резца. Такая Д. р. представляет собой периодич. структуру с пост. расстоянием d между штрихами (рис. 1), к-рое наз. периодом Д. р. Различают амплитудные и фазовые Д. р. У первых периодически изменяется коэфф. отражения или пропускания, что вызывает изменение амплитуды падающей световой волны (такова решётка из щелей в непрозрачном экране). У фазовых Д. р. штрихам придаётся спец. форма, к-рая периодически изменяет фазу световой волны.

1119933-464.jpg

Рис. 1. Схема одномерной периодической структуры плоской дифракционной решётки (сильно увеличено): d - период решётки; W - длина нарезной части решётки.

1119933-474.jpg

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая принцип действия дифракционной решётки: a - фазовой отражательной, б - амплитудной щелевой.

1119933-475.jpg

Рис. 3. Интерференционные функции дифракционной решётки.

Если на плоскую Д. р. падает параллельный пучок света, ось к-рого лежит в плоскости, перпендикулярной к штрихам решётки, то, как показывает расчёт, получающееся в результате интерференции когерентных пучков от всех N штрихов решётки пространственное (по углам) распределение интенсивности света (в той же плоскости) может быть представлено в виде произведения двух ф-ций: 1119933-465.jpg . Ф-ция Jg определяется дифракцией света на отд. штрихе, ф-ция JN обусловлена интерференцией N когерентных пучков, идущих от штрихов решётки, и связана с периодич. структурой Д. р. Ф-ция JN для данной длины волны 1119933-466.jpg определяется периодом решётки d, полным числом штрихов решётки N и углами, образованными падающим (угол1119933-467.jpg) и дифрагированным (угол1119933-468.jpg) пучками с нормалью к решётке (рис. 2), но не зависит от формы штрихов. Она имеет вид 1119933-469.jpg , где 1119933-470.jpg, 1119933-471.jpg - разность хода между когерентными параллельными пучками, идущими под углом 1119933-472.jpg от соседних штрихов Д.р.: 1119933-473.jpg=АВ+АС (см. рис. 2, а - для фазовой отражательной Д. р., 2, б - для амплитудной щелевой решётки). Ф-ция JN - периодич. ф-ция с резкими интенсивными гл. максимумами и небольшими вторичными максимумами (рис. 3, а). Между соседними гл. максимумами расположено N-2 вторичных максимумов и N-1 минимумов, где интенсивность равна нулю. Положение гл. максимумов определяется из условия 1119933-476.jpg или 1119933-477.jpg, где m=0, 1, 2, ... - целое число. Откуда

1119933-478.jpg

т. е. гл. максимумы образуются в направлениях, когда разность хода между соседними когерентными пучками равна целому числу длин волн. Интенсивность всех главных максимумов одинакова и равна 1119933-479.jpg , интенсивность же вторичных максимумов мала и не превышает 1119933-480.jpg от 1119933-481.jpg.

Соотношение 1119933-482.jpg , называемое ур-нием решётки, показывает, что при заданном угле падения 1119933-483.jpg направления на главный максимум 1119933-484.jpg зависят от длины волны 1119933-485.jpg, т. е. 1119933-486.jpg; следовательно, Д. р. пространственно (по углам) разлагает излучение разл. длин волн. Если дифрагиров. излучение, идущее от решётки, направить в объектив, то в его фокальной плоскости образуется спектр. При этом одновременно образуется неск. спектров при каждом значении числа 1119933-487.jpg, и величина т определяет порядок спектра. При m=0 (нулевой порядок спектра) спектр не образуется, т. к. условие 1119933-488.jpg выполняется для всех длин волн (гл. максимумы для всех длин волн совпадают). Из последнего условия при т=0 также следует, что 1119933-489.jpg, т. е. что направление на максимум нулевого порядка определяется зеркальным отражением от плоскости решётки (рис. 4); падающий и дифрагированный пучки нулевого порядка расположены симметрично относительно нормали к решётке. По обе стороны от направления на максимум нулевого порядка расположены максимумы и спектры m=1119933-491.jpg1, m=1119933-492.jpg2 и T. д. порядков.

1119933-490.jpg


Вторая ф-ция Jg, влияющая на результирующее распределение интенсивности в спектре, обусловлена дифракцией света на отд. штрихе; она зависит от величин 1119933-493.jpg , а также и от формы штриха - его профиля. Расчёт, учитывающий Гюйгенса - Френеля принцип, даёт для ф-ции Jg выражение

1119933-494.jpg ,

где 1119933-495.jpg - амплитуда падающей волны, 1119933-496.jpg - волновое число; 1119933-497.jpg, 1119933-498.jpg, х и у - координаты точек на профиле штриха. Интегрирование ведётся по профилю штриха. Для частного случая плоской амплитудной Д. р., состоящей из узких щелей в непрозрачном экране (рис. 2, б)или узких отражающих полосок на плоскости,1119933-499.jpg, где 1119933-500.jpg, а - ширина щелей (или отражающих полосок), и представляет собой дифракц. распределение интенсивности при дифракции Фраунгофера на щели шириной а (см. Дифракция света). Вид её приведён на рис. 3 (б). Направление на центр гл. дифракц. максимума ф-ции Jg определяется из условия u=0 или 1119933-501.jpg, откуда 1119933-502.jpg, т. е. это направление определяется зеркальным отражением от плоскости Д. р., и, следовательно, направление на центр дифракц. максимума совпадает с направлением на нулевой - ахроматический - порядок спектра. Следовательно, макс. значение произведения обеих ф-ций 1119933-503.jpg, а потому и макс. интенсивность будут в спектре нулевого порядка. Интенсивность же в спектрах остальных порядков (m1119933-504.jpg0) будет соответственно меньше интенсивности в нулевом порядке (что схематически изображено на рис. 3, в). Это невыгодно при использовании амплитудных Д. р. в спектральных приборах, т. к. большая часть световой анергии, падающей на Д. р., направляется в нулевой порядок спектра, где нет спектрального разложения, интенсивность же спектров других и даже первого порядков мала.

Если штрихам Д. р. придать треугольную несимметричную форму, то у такой фазовой решётки ф-ция Jg также имеет дифракц. распределение, но с аргументом и, зависящим от угла наклона 1119933-505.jpg грани штриха (рис. 2, а). При этом направление на центр дифракц. максимума определяется зеркальным отражением падающего пучка не от плоскости Д. р., а от грани штриха. Изменяя угол наклона 1119933-506.jpgграни штриха, можно совместить центр дифракц. максимума ф-ции Jg с любым интерференционным гл. максимумом ф-ции JN любого порядка m1119933-507.jpg0, обычно m=1 (рис. 3, г) или m=2. Условие такого совмещения: углы 1119933-508.jpg и 1119933-509.jpg должны одновременно удовлетворять соотношениям 1119933-510.jpg и 1119933-511.jpg . При этих условиях спектр данного порядка т1119933-512.jpg0 будет иметь наиб. интенсивность, а указанные соотношения позволяют определить необходимую величину1119933-513.jpgпри заданных1119933-514.jpg. Фазовые Д. р. с треугольным профилем штриха, концентрирующие большую часть (до 80 %) падающего на решётку светового потока в спектр ненулевого порядка, наз. эшелеттами. Угол, под к-рым происходит указанная концентрация падающего светового потока в спектр, наз. углом блеска Д. р.

Осн. спектроскопич. характеристики Д. р.- угловая дисперсия 1119933-515.jpg , разрешающая способность 1119933-516.jpg и область дисперсии 1119933-517.jpg - определяются только свойствами ф-ции JN. связанной с периодич. структурой Д. р., и не зависят от формы штриха.

Угл. дисперсию, характеризующую степень пространственного (углового) разделения лучей с разной длиной волны, для Д. р. получают, дифференцируя 1119933-518.jpg ; тогда 1119933-519.jpg , откуда следует, что при работе в заданном порядке спектра т величина 1119933-520.jpg тем больше, чем меньше период решётки. Кроме того, величина 1119933-521.jpg растёт с увеличением угла дифракции 1119933-522.jpg. Однако в случае амплитудной решётки увеличение угла 1119933-523.jpg приводит к уменьшению интенсивности спектра. В случае эшелетта можно создать такой профиль штриха, при к-ром концентрация энергии в спектре будет происходить при больших углах j, в связи с чем удаётся создавать светосильные спектральные приборы с большой угл. дисперсией.

Теоретическая разрешающая способность Д. р. 1119933-524.jpg1119933-525.jpg, где1119933-526.jpg - мин. разность длин волн двух монохроматич. линий 1119933-527.jpg равной интенсивности, к-рые ещё можно различить в спектре. Как у всякого спектрального прибора, R Д. р. определяется спектральной шириной 1119933-528.jpg аппаратной функции, к-рой в случае Д. р. являются главные максимумы ф-ции JN. Определив спектральную ширину 1119933-529.jpg этих максимумов, можно получить выражения для R в виде 1119933-530.jpg1119933-531.jpg , где W=Nd - полная длина заштрихованной части Д. р. (рис. 1). Из выражения для R следует, что при заданных углах 1119933-532.jpg величина R может быть увеличена только за счёт увеличения размеров Д. р.- W. Величина R возрастает с увеличением угла дифракции 1119933-533.jpg , но медленнее, чем возрастает 1119933-534.jpg. Выражение для Л может быть также представлено в виде 1119933-535.jpg, где 1119933-536.jpg - полная ширина параллельного дифрагиров. пучка, идущего от Д. р. под углом 1119933-537.jpg.

Область дисперсии Д. р.- величина спектрального интервала 1119933-538.jpg , при к-ром спектр данного порядка т не перекрывается со спектрами соседних порядков и, следовательно, имеет место однозначная связь между углом дифракции 1119933-539.jpg. 1119933-540.jpgопределяется из условия 1119933-541.jpg, откуда 1119933-542.jpg . Для m=1 1119933-543.jpg, т. е. область дисперсии охватывает интервал в одну октаву, напр. всю видимую область спектра от 800 до 400 нм. Выражение для 1119933-544.jpg может быть также представлено в виде 1119933-545.jpg1119933-546.jpg, откуда следует, что величина 1119933-547.jpg тем больше, чем меньше d, и зависит от угла1119933-548.jpg, уменьшаясь (в отличие от 1119933-549.jpg и R) с увеличением 1119933-550.jpg.

Из выражений для 1119933-551.jpg и 1119933-552.jpg может быть получено соотношение 1119933-553.jpg. Для Д. р. различие между 1119933-554.jpg очень большое, т. к. у современных Д. р. полное число штрихов N велико (N~105 и больше).

Вогнутая Д. р. У вогнутых Д. р. штрихи нанесены на вогнутую (обычно сферическую) зеркальную поверхность. Такие решётки выполняют роль как диспергирующей, так и фокусирующей системы, т. е. не требуют применения в спектральных приборах входного и выходного коллиматорных объективов или зеркал, в отличие от плоских Д. р. При этом источник света (входная щель S1) и спектр оказываются расположенными на окружности, касательной к решётке в её вершине, диаметр окружности равен радиусу кривизны R сферич. поверхности Д. р. (рис. 5). Этот круг наз. кругом Роуланда. В случае вогнутой Д. р. из источника света (щели) на решётку падает расходящийся пучок света, а после дифракции на штрихах и интерференции когерентных пучков образуются результирующие световые волны, сходящиеся на круге Роуланда, где и располагаются интерференц. максимумы, т. е. спектр. Углы, образованные осевыми лучами падающего и дифрагированного пучков с осью сферы, связаны соотношением 1119933-556.jpg. Здесь также образуется неск. спектров разл. порядков, расположенных на круге Роуланда, к-рый является линией дисперсии. Поскольку ур-ние решётки для вогнутой Д. р. такое же, как и для плоской, то и выражения для спектроскопич. характеристик - угл. дисперсии, разрешающей способности и области дисперсии - оказываются совпадающими для решёток обоих видов. Выражения же для линейных дисперсий этих решёток различны (см. Спектральные приборы).


1119933-555.jpg

Рис. 5. Схема образования спектров вогнутой дифракционной решёткой на круге Роуланда.

Вогнутые Д. р., в отличие от плоских, обладают астигматизмом ,к-рый проявляется в том, что каждая точка источника (щели) изображается решёткой не в виде точки, а в виде отрезка, перпендикулярного к кругу Роуланда (к линии дисперсии), т. е. направленного вдоль спектральных линий, что приводит к значит. уменьшению интенсивности спектра. Наличие астигматизма также препятствует применению разл. фотометрич. приспособлений. Астигматизм можно устранить, если штрихи нанести на асферическую, напр. тороидальную вогнутую, поверхность или нарезать решётку не с эквидистантными, а с изменяющимися по нек-рому закону расстояниями между штрихами. Но изготовление таких решёток связано с большими трудностями, они не получили ещё широкого применения.

Топографические Д. р. В 1970-х гг. был разработан новый, голографический метод изготовления как плоских, так и вогнутых Д-р., причём у последних астигматизм может быть устранён в значит. области спектра. В этом методе плоская или вогнутая сферич. подложка, покрытая слоем спец. светочувствительного материала - фоторезиста, освещается двумя пучками когерентного лазерного излучения (с длиной волны 1119933-557.jpg), в области пересечения к-рых образуется стационарная интерференц. картина с косинусоидальным распределением интенсивности (см. Интерференция света), изменяющая фоторезистный материал в соответствии с изменением интенсивности в картине. После соответствующей обработки экспонированного фоторезистного слоя и нанесения на него отражающего покрытия получается голографич. фазовая отражат. решётка с косинусоидальной формой штриха, т. е. не является эшелеттом и потому обладает меньшей светосилой. Если освещение производилось параллельными пучками, образующими между собой угол 1119933-558.jpg (рис. 6), а подложка плоская, то получается плоская эквидистантная голографич. Д. р. с периодом 1119933-559.jpg , при сферич. подложке - вогнутая голографич. Д. р., эквивалентная по своим свойствам обычной нарезной вогнутой решётке. При освещении сферич. подложки двумя расходящимися пучками от источников, расположенных на круге Роуланда, получается голографич. Д. р. с криволинейными и неэквидистантными штрихами, к-рая свободна от астигматизма в значит. области спектра.

1119933-560.jpg

Рис. 6. Схема изготовления голографической дифракционной решётки.

Для каждой Д. р. с периодом d существует предельная длина волны света 1119933-561.jpg ("красная граница"), для к-рой можно получить спектр ненулевого порядка. Она определяется из осн. ур-ния решётки 1119933-562.jpg1119933-563.jpg при m=1, 1119933-564.jpg и равна 1119933-565.jpg. Это - теоретич. предел, т. к. работа при углах 1119933-566.jpg1119933-567.jpg невозможна. Практически Д. р. можно использовать при 1119933-568.jpg75-80°, при к-рых 1119933-569.jpg=(1,9-l,95)d. Поэтому при работе в разл. областях спектра и небольших порядках спектра т используются Д. р. с разл. периодом, а следовательно разл. числом штрихов на 1 мм: в УФ-области - 36001119933-570.jpg1200 штрих/мм, в видимой области - 12001119933-571.jpg600 штрих/мм, в ИК-области спектра - 3001119933-572.jpg1 штрих/мм. Со стороны коротких длин волн принципиальных ограничений нет, т. к. ур-ние решётки удовлетворяется и при 1119933-573.jpg, но при высоких порядках спектра. Кроме того, и при 1119933-574.jpg возможна работа в малых порядках, если 1119933-575.jpg близки по величине, но разных знаков и ур-ние решётки имеет вид 1119933-576.jpg=1119933-577.jpg.

Нарезные плоские Д. р. (эшелетты) применяются в широкой области спектра - от 1000 1119933-578.jpg до 1-2 мм, вогнутые - в осн. в области спектра от 10 1119933-579.jpgдо 1000 1119933-580.jpg и обычно при углах 1119933-581.jpg разных знаков и больших величинах самих углов (до 80°). Голографич. вогнутые Д. р. с компенсиров. астигматизмом используются как в УФ-, так и в видимой областях спектра.

Отражательные металлич. Д. р. (эшелетты) изменяют поляризацию падающего на них света. Это связано с различием в коэф. отражения световых волн, электрич. вектор к-рых направлен вдоль штрихов и перпендикулярен к ним.

Качество Д. р. определяется гл. обр. величиной интенсивности рассеянного света, обусловленного наличием мелких дефектов на гранях отд. штрихов, и интенсивностью "духов" - ложных линий, возникающих в спектре в результате нарушения строгой эквидистантности в расположении штрихов у нарезных Д. р. Преимуществом голографич. Д. р. по сравнению с нарезными являются отсутствие "духов" и меньшая интенсивность рассеянного света.

В рентг. области спектра 1119933-582.jpg в качестве Д. р. используют разл. монокристаллы, у к-рых атомы и молекулы, расположенные в узлах кристаллич. решётки, образуют трёхмерную периодич. структуру (см. Дифракция рентгеновских лучей).

Для радиоволн (1119933-583.jpg>2 мм) и акустич. волн используют различные проволочные и др. решётки, период к-рых должен быть соизмерим с длиной волны 1119933-584.jpg (см. Дифракция волн).

Кроме спектральных приборов плоские оптич. Д. р.- эшелетты также используются в качестве одного из зеркал резонаторов лазеров с перестраиваемой частотой генерации.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., M., 1976; Герасимов Ф. M., Современные дифракционные решетки, ч. 1, "Оптико-механическая промышленность", 1965, № 10, с. 33; Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; Лебедева В. В., Техника оптической спектроскопии, 2 изд., M., 1986: Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию, M., 1979. В. И. Малышев.

  Предметный указатель