Một cách tử nhiễu xạ là một thành phần quang học với các rãnh song song, đều nhau trên bề mặt phẳng hoặc lõm, được sử dụng rộng rãi trong quang phổ học và các ứng dụng liên quan đến lăng kính. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng, tương tự như việc quan sát màu sắc cầu vồng trên đĩa CD dưới ánh sáng.
Chức năng của cách tử nhiễu xạ có thể được giải thích bằng sự nhiễu xạ và giao thoa của ánh sáng khi nó truyền qua các khe hở được sắp xếp đều đặn trên một bề mặt.
Nếu d là khoảng cách giữa tâm của các khe liền kề (hằng số cách tử), i là góc tới của ánh sáng đơn sắc song song tới cách tử, và θ là góc nhiễu xạ, thì sự khác biệt đường quang giữa hai tia sáng liền kề đi qua các khe và nhiễu xạ theo cùng một hướng là một bội số nguyên của bước sóng. Điều này dẫn đến giao thoa tăng cường, và điều kiện này được biểu diễn bằng công thức cơ bản của cách tử nhiễu xạ:
d (sin i ± sinθ) = mλ (m là số nguyên, λ là bước sóng ánh sáng)
Một cực đại giao thoa sắc nét được tạo ra theo hướng thỏa mãn công thức trên. Khi i và d không đổi, mối quan hệ giữa θ và m tạo ra các cực đại theo nhiều hướng trên mặt phẳng tiêu cự. Ánh sáng tương ứng với m = 0 (hướng ánh sáng truyền thẳng mà không nhiễu xạ) được gọi là ánh sáng bậc 0, và ánh sáng tương ứng với m = ± 1, ± 2, … được gọi là ánh sáng nhiễu xạ bậc nhất, bậc hai, …
Trong trường hợp ánh sáng trắng, một phổ liên tục được tạo ra với m là một tham số, và quang phổ bậc nhất, bậc hai, v.v., xuất hiện ở cả hai phía của ánh sáng trắng bậc 0, phụ thuộc vào độ lớn của m. Độ phân giải phổ (λ/Δλ) được xác định bởi tích mN, trong đó N là tổng số vạch và m là bậc nhiễu xạ.
Các Loại Cách Tử Nhiễu Xạ Phổ Biến
Có nhiều loại cách tử nhiễu xạ khác nhau, nhưng phổ biến nhất là cách tử phẳng loại phản xạ và cách tử lõm.
Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ, thể hiện góc tới, góc nhiễu xạ và hằng số mạng.
Do phổ chính thường được sử dụng, hằng số mạng gần với bước sóng được sử dụng, và số lượng vạch khắc thường từ 200 đến 2000 vạch/mm, đặc biệt trong vùng tử ngoại và vùng khả kiến.
Cách tử khắc cơ học: Loại này được tạo ra bằng cách khắc các rãnh bằng lưỡi kim cương trên bề mặt kim loại hoặc lõm.
Cách tử ba chiều: Loại này tạo ra mô hình giao thoa bằng ánh sáng laser trên vật liệu quang học.
Máy khắc chính xác cao, được gọi là động cơ cai trị, được sử dụng để sản xuất cách tử khắc cơ học. Tuy nhiên, do chi phí cao và khó khăn trong sản xuất hàng loạt, nhiều bản sao được tạo ra từ các nguyên mẫu gốc để sử dụng thực tế.
Cách tử lõm có chức năng tương tự như gương lõm, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi độ loạn thị. Để giảm quang sai, hằng số cách tử có thể được thay đổi trên bề mặt. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một công cụ điều khiển bằng máy tính (cho cách tử khắc cơ học) hoặc thiết bị tạo ra các vân giao thoa laser theo các điều kiện cụ thể trên một tấm lưới (cho cách tử ba chiều).
Cách tử Echelette: Bằng cách tạo hình dạng mặt cắt ngang của các rãnh cách tử thành hình răng cưa, hầu hết cường độ ánh sáng nhiễu xạ có thể được tập trung tại một bước sóng và thứ tự cụ thể.
Minh họa cấu trúc răng cưa đặc trưng của cách tử Echelette, tập trung ánh sáng nhiễu xạ vào một bước sóng cụ thể.
Góc sáng rực và bước sóng mà cường độ ánh sáng chính là cực đại được gọi là bước sóng ngọn lửa. Bước sóng ngọn lửa được xác định bởi bước sóng của ánh sáng nhiễu xạ bậc nhất trở về cùng hướng khi ánh sáng tới chiếu vào bề mặt rãnh vuông góc.
Cách tử Echelle: Sử dụng các sườn dốc thô (vài chục đến vài trăm vạch/mm) để thu được độ phân giải cao bằng cách sử dụng phổ tần số cao với m lớn. Trong trường hợp này, cần có một hệ thống quang phổ phụ trợ để tách các bậc nhiễu xạ.
Cách tử nhiễu xạ cho vùng hồng ngoại xa và cận hồng ngoại dễ sản xuất hơn do hằng số cách tử lớn. Các cách tử dây với các dây mỏng đều đặn cũng được sử dụng trong các ứng dụng này.
Kết luận
Cách tử nhiễu xạ là một công cụ mạnh mẽ trong quang phổ học, cho phép phân tích thành phần ánh sáng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Từ việc phân tích ánh sáng sao đến kiểm tra chất lượng sản phẩm, cách tử nhiễu xạ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin chi tiết về thế giới xung quanh chúng ta.
Tài liệu tham khảo: Shigeo Minami, Spectroscopy