Кіріспе
Жарықты бірнеше сәулелерге бөлетін оптикалық компонент. Оптикада дифракциялық тор – жарықты немесе басқа электромагниттік сәулелерді әр түрлі бағытта (яғни, әр түрлі дифракциялық бұрыштарда) таралатын бірнеше сәулелерге бөлетін, периодтық құрылымы бар оптикалық құрал. Шығатын түс – құрылымдық түс берудің бір түрі. Бұл сәулелердің бағыттары немесе дифракциялық бұрыштары дифракциялық торға түсетін жарық толқынының бұрышына, тордағы жанындағы дифракциялық элементтер арасындағы арақашықтыққа немесе периодтық қашықтыққа (мысалы, трансляциялық торлар үшін параллель саңылауларға) және түсетін жарықтың толқын ұзындығына байланысты. Тор – дисперсиялық элемент ретінде әрекет етеді. Сондықтан дифракциялық торлар монохроматорлар мен спектрометрлерде жиі қолданылады, сонымен қатар жоғары дәлдікті қозғалыс бақылауы және толқын фронтын өлшеу үшін оптикалық энкодерлер сияқты басқа да қолданыстарға ие. Типтік қолданыстарда, шағылыстыратын тордың бетінде тік өрнектер немесе жолақтар болады, ал трансляциялық тордың бетінде трансляциялық немесе қуыс саңылаулар болады. Мұндай тор түсетін толқынның амплитудасын модуляциялап, дифракциялық суретті құрайды. Кейбір торлар амплитуда емес, түсетін толқындардың фазасын модуляциялайды, және мұндай торлар көбінесе голография арқылы жасалады. Джеймс Грегори (1638–1675) құс қауырсынынан туындаған дифракциялық суреттерді байқады, бұл Исаак Ньютонның призмалық тәжірибелерінен шамамен бір жыл өткен соң ашылған алғашқы дифракциялық тордың (табиғи нысанында) болды. Адам жасаған алғашқы дифракциялық торды 1785 жылы Филадельфиялық өнертапқыш Дэвид Риттенхаус жасады, ол екі жіңішке бұранданың арасына шаштарды керді. Бұл 1821 жылы көрнекті неміс физигі Йозеф фон Фраунгофердің сымдық дифракциялық торына ұқсас болды. Дифракция принциптерін Томас Янг және Огюстен Жан Френель ашты. Осы принциптерді пайдаланып, Фраунгофер алғашқы болып дифракциялық торды сызықтық спектрлер алу үшін қолданды және дифракциялық тормен спектральдық сызықтардың толқын ұзындығын өлшеді. 1860 жылдары Фридрих Адольф Ноберт (1806–1881) Грайфсвальдта кішкентай ойық периодымен (d) дифракциялық торларды өндірді; содан кейін Льюис Моррис Рутерфорд (1816–1892) және Уильям Б. Роджерс (1804–1882) екі америкалық ғалым бастаманы қолға алды. 19 ғасырдың соңына қарай Генри Август Роулендтің (1848–1901) дөңгелек торлары ең жақсысы болды. Дифракциялық тор кең спектрлі (мысалы, үздіксіз) жарық көзімен жарықтандырылғанда «жаңбыр» түстерін жасай алады. CD немесе DVD сияқты оптикалық деректерді сақтау дискілеріндегі тығыз орналасқан тар жолдардан туындаған жаңбыр сияқты түстер – дифракциялық торлардың салдарынан болатын жарық дифракциясының мысалы. Әдеттегі дифракциялық тор параллель жолдардан тұрады (бұл 1 өлшемді торлар үшін дұрыс, бірақ 2 немесе 3 өлшемді торлар да мүмкін және олардың толқын фронтын өлшеу сияқты қолданыстары бар), ал CD-де ұсақ аралықтағы деректер жолдарының спиралі болады. Дифракциялық түстер сондай-ақ жарық нүктесіне мөлдір, ұсақ тігіздікпен жасалған мата арқылы қарағанда пайда болады. Жарық түсіретін торларға негізделген әшекейлі пластик пленкалар арзан және кең таралған. Су бетіндегі майдың (немесе бензиннің және т.б.) жұқа қабаттарынан көрінетін ұқсас түс бөлінуі, иридесценция деп аталатын бұл құбылыс, тордың дифракциясынан емес, керісінше, тығыз орналасқан трансляциялық қабаттардың жұқа қабаттық интерференциясынан туындайды.
In optics, a diffraction grating is an optical grating with a periodic structure that diffracts light, or another type of electromagnetic radiation, into several beams traveling in different directions (i. e., different diffraction angles). The emerging coloration is a form of structural coloration. The directions or diffraction angles of these beams depend on the wave (light) incident angle to the diffraction grating, the spacing or periodic distance between adjacent diffracting elements (e. g., parallel slits for a transmission grating) on the grating, and the wavelength of the incident light. The grating acts as a dispersive element. Because of this, diffraction gratings are commonly used in monochromators and spectrometers, but other applications are also possible such as optical encoders for high precision motion control and wavefront measurement. For typical applications, a reflective grating has ridges or rulings on its surface while a transmissive grating has transmissive or hollow slits on its surface. Such a grating modulates the amplitude of an incident wave to create a diffraction pattern. Some gratings modulate the phases of incident waves rather than the amplitude, and these types of gratings can be produced frequently by using holography. James Gregory (1638–1675) observed the diffraction patterns caused by a bird feather, which was effectively the first diffraction grating (in a natural form) to be discovered, about a year after Isaac Newton's prism experiments. The first human made diffraction grating was made around 1785 by Philadelphia inventor David Rittenhouse, who strung hairs between two finely threaded screws. This was similar to notable German physicist Joseph von Fraunhofer's wire diffraction grating in 1821. The principles of diffraction were discovered by Thomas Young and Augustin Jean Fresnel. Using these principles, Fraunhofer was the first to use a diffraction grating to obtain line spectra and the first to measure the wavelengths of spectral lines with a diffraction grating. In the 1860s, state of the art diffraction gratings with small groove period (d) were manufactured by Friedrich Adolph Nobert (1806–1881) in Greifswald; then the two Americans Lewis Morris Rutherfurd (1816–1892) and William B. Rogers (1804–1882) took over the lead. By the end of the 19th century, the concave gratings of Henry Augustus Rowland (1848–1901) were the best available. A diffraction grating can create "rainbow" colors when it is illuminated by a wide spectrum (e. g., continuous) light source. Rainbow like colors from closely spaced narrow tracks on optical data storage disks such as CDs or DVDs are an example of light diffraction caused by diffraction gratings. A usual diffraction grating has parallel lines (It is true for 1 dimensional gratings, but 2 or 3 dimensional gratings are also possible and they have their applications such as wavefront measurement), while a CD has a spiral of finely spaced data tracks. Diffraction colors also appear when one looks at a bright point source through a translucent fine pitch umbrella fabric covering. Decorative patterned plastic films based on reflective grating patches are inexpensive and commonplace. A similar color separation seen from thin layers of oil (or gasoline, etc.) on water, known as iridescence, is not caused by diffraction from a grating but rather by thin film interference from the closely stacked transmissive layers.
Кванттық электродинамика
Кванттық электродинамика (КЭД) фотондардың бөлшектер ретінде (кейбір жағдайларда) дифракциялық тордың қасиеттерін тағы бір рет тудыруды ұсынады. КЭД кванттық механиканың жол интегралы формуласымен түсіндірілуі мүмкін. Ол фотондарды бастапқы нүктеден соңғы нүктеге дейінгі барлық мүмкін жолдармен модельдей алады, әр жолдың өзіндік ықтималдық амплитудасы болады. Бұл ықтималдық амплитудаларын күрделі сан немесе эквивалентті вектор ретінде бейнелеуге болады, немесе Ричард Фейнман оларды КЭД туралы кітабында жай ғана "жебелер" деп атайды. Бір оқиғаның болу ықтималдығын анықтау үшін, оқиғаның орын алуы мүмкін барлық жолдардың ықтималдық амплитудаларын қосып, содан кейін нәтижесінің ұзындығының квадратын шығару керек. Монохроматтық бастапқы нүктеден фотонның белгілі бір уақытта белгілі бір соңғы нүктеге жету ықтималдық амплитудасын, осы жағдайда, фотон соңғы нүктеге жеткен кезде есептелетін жылдам айналатын жебе ретінде модельдеуге болады. Мысалы, фотонның айнадан шағылысуы және белгілі бір уақыттан кейін белгілі бір нүктеде байқалуы үшін, фотонның ықтималдық амплитудасын бастапқы нүктеден шыққан кезде айналдырып, оны айнаға дейін, содан кейін соңғы нүктесіне дейін бағыттаймыз, тіпті айнадан тең бұрыштармен секірмейтін жолдар үшін де. Содан кейін фотонның соңғы нүктесіндегі ықтималдық амплитудасын есептейміз; одан кейін осы жебелердің барлығын интегралдаймыз (векторлық қосындыны қараңыз) және осы фотонның айнадан дұрыс жолмен шағылысу ықтималдығын алу үшін нәтиже ұзындығының квадратын шығарамыз. Бұл жолдардың уақыты ықтималдық амплитуда жебесінің бұрышын анықтайды, өйткені оларды тұрақты жылдамдықпен "айналуда" деп санауға болады (бұл фотонның жиілігімен байланысты). Айнаның классикалық шағылысу орнына жақын жолдардың уақыты шамалы ғана ерекшеленеді, сондықтан ықтималдық амплитудалары шамалы ғана бағыттан ауысады – осылайша, олардың қосындысы айтарлықтай болады. Айнаның шеттеріне қарай жолдарды қарастырғанда, жақын жолдардың уақыты бір-бірінен айтарлықтай ерекшеленетіні байқалады, сондықтан біз тез өшірілетін векторларды қосамыз. Демек, жарықтың классикалық шағылыс жолына жақын жүруі, одан алыс жолға қарағанда ықтимал. Алайда, осы айнадан дифракциялық тор жасауға болады, айнаның шетіне жақын аймақтарды сызып тастау арқылы, олар әдетте жақын амплитудаларды өшіреді. Бірақ енді фотондар сызылып тасталған бөліктерден шағылыспайды, сондықтан, мысалы, қырық бес градусқа бағытталған ықтималдық амплитудалары айтарлықтай қосындыға ие болуы мүмкін. Осылайша, бұл жарықтың дұрыс жиілігін үлкен ықтималдық амплитудасына жинақтауға мүмкіндік береді, соның салдарынан тиісті соңғы нүктеге жету ықтималдығы артады. Бұл сипаттама көптеген жеңілдетулерді қамтиды: нүктелік бастапқы нүкте, жарық шағылысатын "бет" (соның салдарынан электрондармен өзара әрекеттесуді ескермеу) және т.б. Ең үлкен жеңілдету, ықтималдық амплитуда жебелерінің "айналуы" көздің "айналуы" ретінде дәлірек түсіндіріледі, өйткені фотондардың ықтималдық амплитудалары олардың қозғалысы кезінде "айналмайды". Біз фотонның бастапқы нүктеден шығу уақытын белгісіз деп алып, ықтималдық амплитудасының бірдей өзгеруін аламыз. Ал жолдың уақыты фотонның бастапқы нүктеден қашан шыққанын және оның "жебесінің" бұрышы қандай болатынын көрсетеді. Алайда, бұл модель және жуықтау дифракциялық торды түсіндіру үшін қолайлы. Әртүрлі жиілікті жарық та осы дифракциялық тордан шағылысуы мүмкін, бірақ басқа соңғы нүктеге.
Дисперсиялық элементтер ретінде торлар
Торлы теңдеудегі толқын ұзындығының тәуелділігі, тордың кіріс көп түсті сәулені әртүрлі бұрыштарда оның құрамына кіретін толқын ұзындығы компоненттеріне бөлетінін көрсетеді, яғни ол бұрыштық дисперсиялы. Кіріс сәуле спектрінің әрбір толқын ұзындығы әртүрлі бағытқа жіберіледі, нәтижесінде ақ жарықпен жарықтандыру кезінде түстердің спектрі пайда болады. Бұл призманың жұмыс істеуіне ұқсас, бірақ механизм мүлдем басқа. Призма әртүрлі толқын ұзындығындағы толқындарды олардың әртүрлі сындыру көрсеткіштеріне байланысты әртүрлі бұрыштарда сындырады, ал тор әртүрлі толқын ұзындығын әртүрлі бұрыштарда дифракциялайды, бұл әрбір толқын ұзындығындағы интерференцияға байланысты болады. Түсетін сәуленің спектрлік құрамына және тордың тығыздығына байланысты, бір-біріне жақын реттерге сәйкес келетін дифракцияланған сәулелер бірімен-бірі жапсарласуы мүмкін. Спектрлік рет неғұрлым жоғары болса, келесі ретке жақындау соғұрлым үлкен болады. Торлы теңдеу көрсеткендей, дифракцияланған реттердің бұрыштары тек ойықтардың кезеңіне ғана байланысты, олардың пішініне емес. Ойықтардың көлденең қима профилін басқару арқылы, берілген толқын ұзындығы үшін дифракцияланған оптикалық энергияның көп бөлігін белгілі бір ретке шоғырландыруға болады. Үшбұрышты профиль көбінесе қолданылады. Бұл әдіс жарықтандыру деп аталады. Дифракция ең тиімді болатын түсу бұрышы мен толқын ұзындығы (дифракцияланған оптикалық энергия мен түсетін энергия арақатынасы ең жоғары) көбінесе жарықтандыру бұрышы және жарықтандыру толқын ұзындығы деп аталады. Тордың тиімділігі түсетін жарықтың поляризациясына да байланысты болуы мүмкін. Торлар әдетте олардың ойық тығыздығымен сипатталады, яғни ұзындық бірлігіне ойықтардың саны, әдетте миллиметрге ойықтар (г/мм) түрінде көрсетіледі, бұл ойық кезеңінің кері шамасына тең. Ойық кезеңі қызығушылық тудыратын толқын ұзындығына сәйкес болуы керек; тормен қамтылған спектрлік диапазон ойық арақашықтығына байланысты және бірдей тор тұрақтысы бар (яғни ойық тығыздығы немесе ойық кезеңі) рельстік және голографиялық торлар үшін бірдей. Тордың дифракциялай алатын ең үлкен толқын ұзындығы тор кезеңінің екі еселенген шамасына тең, бұл жағдайда түсетін және дифракцияланған жарық тор нормасына қарай 90° бұрышпен орналасады. Жиілік дисперсиясын кеңірек жиілік диапазонында алу үшін призманы қолдану керек. Торларды пайдалану ең көп таралған оптикалық режим 100 нм мен 10 мкм арасындағы толқын ұзындығына сәйкес келеді. Бұл жағдайда ойық тығыздығы миллиметрге бірнеше ондаған ойықтан (эшель торларындағыдай) миллиметрге бірнеше мың ойыққа дейін өзгеруі мүмкін. Егер ойық арақашықтығы жарық толқын ұзындығының жартысынан аз болса, онда тек m = 0 реті ғана байқалады. Мұндай кішкентай периодтылыққа ие торлар (түсетін жарық толқын ұзындығына қатысты) субтолқын ұзындығы торлары деп аталады және ерекше оптикалық қасиеттерге ие. Изотропты материалда жасалған субтолқын ұзындығы торлары формалық екі сынуды тудырады, онда материал екі сыну сияқты мінез-құлық көрсетеді.
SR (Жүстіктік рельефті) торлар
SR торлары өз бетінше ойыстар (төменгі рельеф) және көтеріңкілер (жоғарғы рельеф) беткі құрылымына байланысты аталған. Алғашқыда жоғары ажыратымды торлар жоғары сапалы басқару машиналарымен жасалған, оларды құру үлкен күш-жігерді қажет еткен. Генри Джозеф Грейсон дифракциялық торларды жасауға арналған машина жасады және 1899 жылы бір дюймге 120 000 сызық (шамамен 4724 сызық/мм) болатын тор жасауға қол жеткізді. Кейіннен фотолитографиялық әдістер голографиялық интерференциялық үлгілер арқылы торлар жасады. Голографиялық тордың торап материалындағы оптикалық синусоидалық интерференциялық үлгінің нәтижесінде синусоидалық ойыстар пайда болады және олар басқарылатын торларға қарағанда тиімді болмауы мүмкін, бірақ олар көбінесе монохроматорларда артық жарықтың аздығына байланысты қолданылады. Көшіру әдісінің көмегімен кез келген типтегі негізгі торлардан жоғары сапалы көшірмелер жасауға болады, бұл өндіріс шығындарын төмендетеді. Бүгінде жартылай өткізгіш технологиясы голографиялық үлгідегі торларды балқытылған кварц сияқты берік материалдарға кесу үшін де қолданылады. Осылайша, аз шашыраңқы жарықпен голография және терең ойылған жіберілген торлардың жоғары тиімділігі біріктіріліп, жоғары көлемді, төмен құнды жартылай өткізгіш өндіріс технологиясына енгізілуі мүмкін.
VPH (Volume Phase Holography) торлары
Дифракциялық торларды өндірудің тағы бір әдісі екі субстраттың арасына орналасқан фотосезімді гельді пайдалануды қамтиды. Холографиялық интерференциялық үлгі гельге әсер етеді, кейін ол дамытылады. Бұл торлар көлемдік фазалық голографиялық дифракциялық торлар (немесе VPH дифракциялық торлар) деп аталады, оларда физикалық ойыстар болмайды, бірақ гель ішіндегі сыну индексінің периодтық модуляциясы болады. Бұл басқа типтегі торларда көрінетін беттік шашырау эффектісін азайтады. Бұл торлар жоғары тиімділікке ие болады және бір торға күрделі үлгілерді енгізуге мүмкіндік береді. VPH дифракциялық тор әдетте жарық өткізетін тор болып табылады, яғни кіретін жарық одан өтіп, дифракцияланады, бірақ VPH шағылыстыру торларын да жасауға болады, бұл үшін сыну индексінің модуляция бағытын тор бетіне қатысты бұру қажет. Мұндай торлардың ескі нұсқаларында қоршаған ортаға сезімталдық жоғары болды, себебі гельді төмен температурада және ылғалдылықта сақтау қажеттілігі туындады. Әдетте, фотосезімді заттар ылғалға, жылулық және механикалық кернеуге төзімді ететін екі субстраттың арасында герметикалық түрде жабылады. VPH дифракциялық торлар кездейсоқ тиісуден зақымдалмайды және әдеттегі рельефтік торларға қарағанда сызатқа төзімді.
Жанып тұрған торлар
Жарықтарды таратушы тор, басқа торлардың симметриялық ойықтарынан өзгеше, аралық қимасы тісті ара пішіндес ойықтармен жасалады. Бұл тордың дифракция тиімділігін максималды деңгейге жеткізуге мүмкіндік береді, бірақ тек бір дифракция ретінде, ол тісті ара ойықтарының бұрышына байланысты, және "жалын бұрышы" деп аталады. Көп қолданылатындарының ішінде, өзгертілетін лазерлер үшін нақты толқын ұзындығын таңдау бар.
Басқа торлар
Интегралды фотоникалық жарық толқыны схемаларына торларды енгізудің жаңа технологиясы – цифрлық жазық голография (DPH). DPH торлары компьютерде жасалады және стандартты микролитография немесе нано-бейімдеу әдістерін қолдану арқылы оптикалық толқын жетекшісінің бір немесе бірнеше беттеріне түсіріледі, бұл технология көлемді өндіріске үйлесімді. Жарық DPH торларының ішінде, сындыру көрсеткіші градиентімен шектелген күйде тарайды, бұл жарық сәулесімен ұзақ әрекеттесуге және оны басқарудағы жоғары икемділікке мүмкіндік береді.
Мысалдар
Дифракциялық торлар көбінесе монохроматизаторларда, спектрометрлерде, лазерлерде, толқын ұзындығын бөлу мультиплекстеу құрылғыларында, оптикалық импульстарды қысу құрылғыларында, интерферометрлерде және көптеген басқа оптикалық аспаптарда қолданылады. Күнделікті CD және DVD дискілері дифракциялық торлардың мысалдары болып табылады және олардың әсерін ақ қабырғаға күн сәулесін шағылыстыру арқылы көрсетуге болады. Бұл олардың өндірісінің қосалқы нәтижесі, себебі CD-нің бір бетінде спираль бойынша орналасқан пластикте көптеген кішкентай ойықтар бар; осы ойықтарды жақсы көру үшін бұл бетке жұқа металл қабаты жағылады. DVD құрылымы оптикалық тұрғыдан ұқсас, бірақ оның бірнеше ойықтары бар беттері болуы мүмкін, ал барлық ойықтары дискінің ішінде орналасқан. Ортаның сыну көрсеткішіне сезімталдығының арқасында дифракциялық торларды сұйықтықтардың қасиеттерін анықтау сенсоры ретінде қолдануға болады. Стандартты винил пластинканы ойықтарға перпендикуляр төмен бұрыштан қарағанда CD/DVD-дегідей, бірақ аз анық көрінетін әсер байқалады. Бұл қара винилдің көру бұрышының (винилдің шағылысуының сындық бұрышынан кем) және ойықтардың жарық жолын өзгертуінің нәтижесінде пайда болады, соның салдарынан көкжиек сияқты рельефті сурет пайда болады. Дифракциялық торлар Nook Simple Touch with GlowLight сияқты электронды кітап оқу құрылғыларының алдыңғы жарығын тегіс тарату үшін де қолданылады.
Электрондық бөлшектерден жасалған торлар
Кейбір күнделікті электронды компоненттерде ұсақ және реттелген өрнектер болады, соның салдарынан олар дифракциялық торлар ретінде тиімді қолданылады. Мысалы, қолданыстан шыққан ұялы телефондар мен камералардан CCD сенсорларын құрылғыдан алып тастауға болады. Лазерлік нұсқаушымен дифракция CCD сенсорларының кеңістіктік құрылымын көрсетуге болады. Бұл смартфондардың LCD немесе LED дисплейлері үшін де жасалуы мүмкін. Мұндай дисплейлер көбінесе тек мөлдір қаптамамен қорғалғандықтан, телефондарға зиян келтірмей эксперименттер жүргізуге болады. Егер нақты өлшеулер қажет болмаса, прожектор дифракциялық өрнектерді көрсетуге мүмкіндік береді.
Табиғи торлар
Жазық бұлшық еттер – табиғи дифракциялық торлардың ең көп кездесетін түрі және бұл физиологтарға осындай бұлшық еттердің құрылымын анықтауға көмектесті. Бұдан басқа, кристалдардың химиялық құрылымын көрінетін жарықтан өзге электромагниттік сәулелену түрлері үшін дифракциялық торлар ретінде қарастыруға болады, бұл рентгендік кристаллография сияқты әдістердің негізі болып табылады. Дифракциялық торлармен жиі шатастырылатындар – тауыс құсының қауырсындарының, інжу-маржанның және көбелек қанаттарының көкжиек түстері. Құстардың, балықтардың және жәндіктердің иридесценциясы көбінесе дифракциялық тордың емес, жұқа пленкалық интерференцияның нәтижесінде пайда болады. Дифракция көру бұрышы өзгерер кезде түстердің толық спектрін тудырады, ал жұқа пленкалық интерференция әдетте әлдеқайда тар диапазонды көрсетеді. Гүлдердің беттері де дифракция құра алады, бірақ өсімдіктердегі жасуша құрылымдары әдетте дифракциялық тор үшін қажетті ұсақ жарықша геометриясын жасауға тым жетілмейді. Сондықтан гүлдердің иридесценциялық сигналы тек локальды түрде байқалады және адам мен гүлге келетін жәндіктерге көрінбейді. Дегенмен, табиғи торлар кейбір омыртқасыз жануарларда, мысалы, тауысқан өрмекшілерде, тұқымдық шаянның антенналарында кездеседі және тіпті Бурджесс тақтасының қазбаларында да табылды. Дифракциялық торлардың әсері кейде метеорологияда да байқалады. Дифракциялық короналар – күн сияқты жарық көзін айналдыратын түрлі-түсті сақиналар. Бұл құбылыстар галодан гөрі жарық көзіне жақын байқалады және су тамшылары, мұз кристалдары немесе тұман бөлшектері сияқты өте ұсақ бөлшектердің салдарынан туындайды. Бөлшектердің барлығы дерлік бірдей өлшемде болса, кіріп келетін жарықты өте нақты бұрыштарда дифракциялайды. Бұрыш бөлшектердің мөлшеріне байланысты. Дифракциялық короналар көбінесе шам жалыны немесе көше шамдары сияқты жарық көздерінің айналасында, тұманды күндері байқалады. Бұлттың иридесценциясы дифракциядан туындайды, бұл бұлттардағы бөлшектердің мөлшері біркелкі болған кезде короналық сақиналар бойымен пайда болады.