Diffraction Gratings
آپٹیکل منتشر عناصر · سپیکٹروسکوپی · لیزرز · ٹیلی کام · ماخذ: PhotonLab
ڈفریکشن گریٹنگز ایپلی کیشنز کی ایک وسیع رینج میں کلیدی آپٹیکل اجزاء ہیں، بشمول سپیکٹرو میٹر، دیگر تجزیاتی آلات، ٹیلی کمیونیکیشن، اور لیزر سسٹم۔ ایک گریٹنگ میں ایک خوردبین متواتر نالی کا ڈھانچہ ہوتا ہے جو واقعہ کی روشنی کو پھیلاؤ کے ذریعے متعدد بیم راستوں میں تقسیم کرتا ہے، جس کی وجہ سے مختلف طول موج کی روشنی مختلف سمتوں میں پھیلتی ہے۔ یہ ایک بازی گریٹنگ کو فعال طور پر ایک منتشر پرزم کی طرح بناتا ہے، حالانکہ ایک پرزم طول موج کو طول موج-تفریح کے بجائے منحصر اضطراب سے الگ کرتا ہے (شکل 1)۔
شکل 1. ایک منتشر پرزم طول موج کو اضطراب (اوپر) کے ذریعہ الگ کرتا ہے، جبکہ ایک پھیلاؤ گریٹنگ اس کی سطح کی ساخت (نیچے) کی وجہ سے طول موج کو تفاوت سے الگ کرتی ہے۔
گریٹنگ پر روشنی کا واقعہ گریٹنگ مساوات کے مطابق مختلف ہوتا ہے:
یہاں،mایک عدد عدد ہے جو تفاوت (یا سپیکٹرل) ترتیب کو بیان کرتا ہے،λروشنی کی طول موج ہے،dجھاڑی پر نالیوں کے درمیان فاصلہ ہے، واقعات کا زاویہ ہے، اور روشنی کا منتشر زاویہ ہے جو گریٹنگ کو چھوڑتا ہے۔ مختلف منتشر لہروں کی تعمیری مداخلت طول موج کے عددی ضربوں پر ہوتی ہے، یہی وجہ ہے کہ مساوات (1) میں "m" ظاہر ہوتا ہے۔mتفریق ترتیب کی وضاحت کرتا ہے:m= 1 کو فرسٹ- آرڈر ڈفریکشن کہا جاتا ہے،m= 2 دوسرا ہے- ترتیب کا پھیلاؤ، اور اسی طرح (شکل 2)۔ اگرm= 0، روشنی یا تو براہ راست جھنڈی سے منعکس ہوتی ہے یا اس کے ذریعے منتقل ہوتی ہے، اس بات پر منحصر ہے کہ آیا یہ عکاسی ہے یا ٹرانسمیشن گریٹنگ؛ اسے صفر- آرڈر ڈفریکشن کہتے ہیں۔ منتشر پرزم کے برعکس، چھوٹی طول موجیں ہمیشہ براہ راست منعکس یا منتقل ہونے والی روشنی کے قریب ہوتی ہیں-اس معاملے میں، 0ویں ترتیب۔ مختلف آرڈرز کے درمیان کچھ اوورلیپ موجود ہے۔ تمام زاویوں کو گریٹنگ نارمل (گریٹنگ کے لیے کھڑا) سے ماپا جاتا ہے۔
تصویر 2. کچھ روشنی براہ راست 0 ویں- ترتیب کے پھیلاؤ کے طور پر منعکس ہوتی ہے، جب کہ واقعے کی روشنی کے دیگر حصے طول موج کے لحاظ سے پہلے- ترتیب کے زاویوں میں تقسیم ہوتے ہیں۔ چھوٹی مقداروں کو اعلی-زاویہ 2nd- اور 3rd-آرڈر ڈفریکشن میں الگ کیا جاتا ہے۔
گریٹنگ کا انتخاب کرتے وقت کن باتوں پر غور کریں۔
گریٹنگ کا انتخاب کرتے وقت، طول موج کی حد، بلیز طول موج (مختلف سپیکٹرم میں سب سے زیادہ کارکردگی کے ساتھ طول موج) اور بلیز اینگل کی وضاحت کرنا ضروری ہے۔ بلیز اینگل بلیز ویو لینتھ کے پہلے-آرڈر ڈفریکشن اینگل کو بیان کرتا ہے۔ اس زاویے پر، اور مساوات میں (1) برابر ہیں، اور واقعہ کی روشنی واپس اسی سمت میں پھیل جاتی ہے جہاں سے یہ آئی تھی۔ اس حالت کو لٹرو کنفیگریشن بھی کہا جاتا ہے۔ اس زاویہ کے قریب کام کرنا سب سے زیادہ کارکردگی دیتا ہے۔
نالی کی کثافت، یا نالی کی فریکوئنسی، عام طور پر بیان کی جاتی ہے۔ یہ نالی کی جگہ کا الٹا ہے۔d. آپٹیکل سسٹم کی ایک اہم خاصیت اس کا پھیلاؤ ہے، لیکن اس کا انحصار اس بات پر ہوتا ہے کہ گریٹنگ کی خصوصیات اور گریٹنگ کو کس طرح استعمال کیا جاتا ہے۔ نظام کی دیگر تفصیلات کے بغیر، اکیلے گریٹنگ کو کوئی اصول تفویض نہیں کیا جا سکتا جیسے کہ "ایک مخصوص گردش ایک مخصوص طول موج کی علیحدگی سے مطابقت رکھتی ہے۔" ایک گریٹنگ کی حل کرنے کی طاقت کی بھی وضاحت کی جا سکتی ہے، اور اس کا تعلق سسٹم کے سپیکٹرل ریزولوشن سے ہے۔ تاہم، یہ ریزولیوشن گریٹنگ اور سسٹم کے داخلی اور خارجی راستوں دونوں پر منحصر ہے۔ جھاڑی کی حل کرنے کی طاقتRسپیکٹرل آرڈر پر منحصر ہے۔mاور روشنی کے تحت نالیوں کی تعدادN:
عام طور پر اتنے سارے نالیوں کو روشن کیا جاتا ہے کہ داخلی اور خارجی راستے-نہ کہ جھنڈی-سسٹم ریزولوشن کو محدود کرتے ہیں۔ افادیت کے منحنی خطوط کو ایپلی کیشن میں استعمال ہونے والی تمام طول موجوں میں پھیلاؤ کی سطح کی تصدیق کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے۔
ایک جھاڑی کم از کم اتنی بڑی ہونی چاہئے جتنی کہ واقعہ روشنی کے شنک یا شہتیر کے۔ ورنہ کناروں سے روشنی ختم ہو جائے گی۔ لہذا، نظام کے ارد گرد آوارہ روشنی کو اچھالنے اور غلط سگنل پیدا کرنے سے روکنے کے لیے ایک گریٹنگ کو ہمیشہ انڈر فل کرنا چاہیے۔
Gratings کی اقسام
ریفلیکشن گریٹنگز بمقابلہ ٹرانسمیشن گریٹنگز
دو وسیع ترین زمرے ہیں ریفلیکشن گریٹنگز اور ٹرانسمیشن گریٹنگز۔ اعداد و شمار 1 اور 2 عکاسی گریٹنگز دکھاتے ہیں: بنیادی طور پر مائکروسکوپک گرووز کے ساتھ آئینہ۔ تمام منحرف آرڈرز مختلف زاویوں پر جھنڈی سے جھلکتے ہیں۔ ٹرانسمیشن گریٹنگ ایک لینس کی طرح ہوتی ہے جس میں خوردبینی نالی ہوتی ہے: تمام منتشر آرڈرز گریٹنگ سے گزرتے ہیں، لیکن مساوات (1) میں دیے گئے زاویوں سے پورا ہو جاتے ہیں۔
رولڈ گریٹنگز بمقابلہ ہولوگرافک گریٹنگز
عکاسی اور ٹرانسمیشن گریٹنگز دونوں کو مزید حکمرانی والے گریٹنگز اور ہولوگرافک گریٹنگز میں تقسیم کیا جا سکتا ہے، جو کہ نالی پروفائلز بنانے کے طریقے میں مختلف ہیں۔ حکمرانی والی جھاڑیوں میں، نالیوں کو میکانکی طور پر کندہ کیا جاتا ہے یا جزو میں کاٹا جاتا ہے۔ ہولوگرافک گریٹنگز میں، نالیوں کو آپٹیکل طور پر متعارف کرایا جاتا ہے: فوٹوریزسٹ کہلانے والا ایک حساس مواد سبسٹریٹ پر جمع ہوتا ہے اور آپٹیکل مداخلت کے نمونے کے سامنے آتا ہے۔ اس کے بعد بقیہ فوٹو ریزسٹ کو کیمیاوی طور پر ہٹا دیا جاتا ہے، جس سے گریٹنگ پیٹرن رہ جاتا ہے۔ حکمرانی والے گریٹنگز میں عام طور پر سہ رخی نالی ہوتی ہے (شکل 3)، جبکہ ہولوگرافک گریٹنگز میں عام طور پر سائنوسائیڈل نالی ہوتے ہیں (اعداد و شمار 3 اور 4)۔
شکل 3. حکمرانی والی ڈفریکشن گریٹنگز میں عام طور پر تکونی نالی ہوتی ہے۔ جھاڑی پر تیر: آگ کی سمت۔
شکل 4. ہولوگرافک ڈفریکشن گریٹنگز میں عام طور پر سائنوسائیڈل نالی ہوتے ہیں۔
Echelle Gratings
ایک ایچیل گریٹنگ کی خصوصیت ایک بڑی نالی کی جگہ یا عام گریٹنگز سے کم نالی کی کثافت سے ہوتی ہے-عام طور پر تقریباً 10×، اور بعض اوقات 100× تک۔ واقعات کے ایک اعلی زاویہ ( ) پر ایک ایچیل گریٹنگ کو روشن کرنا اعلی بازی، اعلی ریزولیوشن، اور کم پولرائزیشن- منحصر کارکردگی پیدا کرتا ہے۔ یہ گریٹنگز ان ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہیں جن کے لیے اعلی ریزولیوشن کی ضرورت ہوتی ہے، جیسے کہ حساس فلکیاتی آلات اور جوہری سطح کے ریزولوشن کا تعاقب کرنے والے نظام۔
پلین گریٹنگز بمقابلہ کنکیو گریٹنگز
ان کی مجموعی شکل کو بیان کرتے ہوئے اوپر دی گئی تمام جھاڑیوں کی اقسام کو مزید طیاروں کی جھاڑیوں اور مقعر کی جھاڑیوں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ ہوائی جہاز کے گریٹنگز فلیٹ اور زیادہ عام ہیں۔ اگر نالی سیدھی اور مساوی فاصلہ پر ہیں، گریٹنگ چپٹی ہے، اور واقعہ کی روشنی کو کولیمیٹ کیا جاتا ہے، تو تمام منتشر روشنی ایک دوسرے کے ساتھ مل کر رہتی ہے۔ یہ بہت سے ایپلی کیشنز میں فائدہ مند ہے کیونکہ نظام کی فوکس کرنے والی خصوصیات طول موج سے آزاد ہو جاتی ہیں۔ مقعر گریٹنگز کے مقابلے میں، ہوائی جہاز کی جھاڑیاں بھی عام طور پر نظام کی پیچیدگی کو کم کرتی ہیں۔ مقعر کی جھاڑیاں خم دار ہوتی ہیں، اس لیے وہ یا تو روشنی کو اکٹھا کرتے ہیں یا پھر جاتے ہیں۔ یہ نظام میں آپٹیکل اجزاء کی کل تعداد کو کم کرنے کے لیے مفید ہے، لیکن فوکس کرنے والی خصوصیات پھر طول موج پر منحصر ہوتی ہیں۔
گریٹنگ ایپلی کیشنز
مونوکرومیٹر
ایک مونوکرومیٹر واقعے کی روشنی سے ایک تنگ بینڈ کو منتخب کرنے کے لیے آئینے کے ساتھ ایک مقعر یا ہوائی جہاز کی جھنڈی کا استعمال کرتا ہے۔ اگر سفید-روشنی کا ذریعہ ایسے آلے میں داخل ہوتا ہے، تو یہ مطلوبہ تنگ آؤٹ پٹ بینڈ کے علاوہ تمام طول موج کو فلٹر کرتا ہے۔ شکل 5 سے پتہ چلتا ہے کہ ایک مونوکرومیٹر کس طرح گریٹنگ کو گھماتا ہے تاکہ مختلف طول موجیں باہر نکلنے والے درار سے گزریں جبکہ دیگر تمام طول موجیں مسدود ہوں۔
شکل 5۔ طیارہ-گریٹنگ مونوکرومیٹر (اوپر) اور مقعر-گریٹنگ مونوکرومیٹر (نیچے) دونوں ایگزٹ سلٹ میں پھیلاؤ کے آرڈرز کو اسکین کرنے کے لیے گریٹنگ کو گھماتے ہیں اور قطعی طور پر یہ تعین کرتے ہیں کہ کون سی طول موج آلہ کو چھوڑ سکتی ہے۔
سپیکٹرو میٹر
مونوکرومیٹر کی طرح، سپیکٹرو میٹر براڈ بینڈ کے ذریعہ کی طول موج کو الگ کرتے ہیں، لیکن ان کے کوئی حرکت پذیر حصے نہیں ہوتے ہیں۔ اس کے بجائے، تمام الگ کی گئی طول موج کو ایک پکڑنے والے سرنی (شکل 6) پر بیک وقت امیج کیا جاتا ہے۔ ہر طول موج کو پکسلز کے مختلف سیٹ پر امیج کیا جاتا ہے، جس سے آلہ یہ تعین کر سکتا ہے کہ براڈ بینڈ سورس میں ہر طول موج کا کتنا حصہ موجود ہے۔ سپیکٹرو میٹر کا استعمال عام طور پر اس وقت کیا جاتا ہے جب تیز سپیکٹرل تجزیہ کی ضرورت ہوتی ہے، کیونکہ وقت کی بچت کرتے ہوئے، ایک ڈٹیکٹر میں طول موج کو اسکین کرنے کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔
شکل 6. طیارہ-گریٹنگ اسپیکٹرومیٹر (اوپر) اور مقعر-گریٹنگ اسپیکٹرومیٹر (نیچے) دونوں ایک ڈیٹیکٹر سرنی کے مختلف پکسلز پر واقعہ طول موج کو الگ کرنے کے لئے ایک مقررہ گریٹنگ کا استعمال کرتے ہیں۔
لیزر ٹیوننگ
لیزر کے سپیکٹرل آؤٹ پٹ کو ٹیون کرنے یا اس کے آؤٹ پٹ بینڈ کو تنگ کرنے کے لیے ڈفریکشن گریٹنگ استعمال کرنے کے کئی طریقے ہیں۔ گریٹنگ کو گھمایا جا سکتا ہے تاکہ لیزر سے صرف ایک مخصوص ڈفریکشن آرڈر نکلے۔ آؤٹ پٹ بینڈ کو فلٹر کرنے کے لیے آئینہ گھومنے کے دوران گریٹنگ ساکن رہ سکتی ہے۔ یا گریٹنگ آؤٹ پٹ بینڈ کو تنگ کرنے کے لیے لیزر کے اندر آئینے کی جگہ لے سکتی ہے (شکل 7)۔
شکل 7۔ یہ تینوں سیٹ اپ مختلف طریقے دکھاتے ہیں کہ لیزر آؤٹ پٹ ویو لینتھ کو ٹیون کرنے یا آؤٹ پٹ ویو لینتھ رینج کو کم کرنے کے لیے گریٹنگ کا استعمال کیا جاتا ہے۔
لیزر پلس اسٹریچنگ، کمپریشن، اور ایمپلیفیکیشن
مختصر لیزر دالیں، جیسے کہ الٹرا فاسٹ دالیں، اکثر اعلیٰ چوٹی کی طاقت رکھتی ہیں جو حساس آپٹیکل کوٹنگز اور اجزاء کو نقصان پہنچا سکتی ہیں۔ اس سے بچنے کے لیے بعض اوقات نبض کو کھینچنے، اس کا دورانیہ بڑھانے اور اس کی چوٹی کی طاقت کو کم کرنے کے لیے ڈفریکشن گریٹنگز کا ایک جوڑا استعمال کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد کھینچی ہوئی نبض آپٹیکل ایمپلیفائر سے گزر سکتی ہے اور کسی بھی نظری اجزاء کو نقصان پہنچائے بغیر طاقت حاصل کر سکتی ہے۔ ریورس کنفیگریشن میں ایک اور گریٹنگ جوڑی ایمپلیفیکیشن کے بعد نبض کے دورانیے کو سکیڑ سکتی ہے، جس سے ہدف پر ایک مختصر، ہائی-پاور پلس پیدا ہوتی ہے (شکل 8)۔
پیکر 8۔ پلس لیزر سسٹمز میں گریٹنگز کا استعمال نبض کا دورانیہ بڑھانے-لیزر-حوصلہ افزائی نقصان کو روکنے-اور نبض کا دورانیہ کم کرنے کے لیے، ہدف پر زیادہ-طاقت کی دالیں پیدا کرنے کے لیے دونوں طرح استعمال کیا جا سکتا ہے۔
