Дифракционная решётка

Дифракционная решётка, оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесённых на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, Д. р. представляет собой периодическую структуру: штрихи с определённым и постоянным для данной решётки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток d, называется периодом Д. р. (рис.). В Д. р. происходит дифракция света. Основное свойство Д. р. - способность разлагать падающий на неё пучок света по длинам волн, т. е. в спектр, что используется в спектральных приборах. Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то Д. р. называются плоскими, если на вогнутую (обычно сферическую) поверхность - вогнутыми. Различают отражательные и прозрачные Д. р. У отражательных штрихи наносятся на зеркальную (обычно металлическую) поверхность и наблюдение ведётся в отражённом свете. У прозрачных штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки (или вырезаются в виде узких щелей в непрозрачном экране) и наблюдение ведётся в проходящем свете. В современных спектральных приборах применяются главным образом отражательные Д. р.

Наиболее наглядно описание действия Д. р. в случае прозрачной Д. р. При падении монохроматического параллельного пучка света с длиной волны l под углом a на Д. р., состоящую из щелей ширины b, разделённых непрозрачными промежутками, происходит интерференция волн, исходящих от разных щелей. В результате после фокусировки положения максимумов на экране (рис.) определяются уравнением: d (sin a + sin b) = ml, где b - угол между нормалью к решётке и направлением распространения пучка (угол дифракции); целое число m = 0, ? 1, ? 2, ? 3,... равно количеству длин волн, на которое волна от некоторого элемента данной щели Д. р. отстаёт от волны, исходящей от такого же элемента соседней щели (или опережает её). Монохроматические пучки, относящиеся к различным значениям m, называются порядками спектра, а даваемые ими изображения входной щели - спектральными линиями. Все порядки, соответствующие положительным и отрицательным значениям m, лежат симметрично относительно нулевого. По мере возрастания числа щелей Д. р. спектральные линии становятся более узкими и резкими. Если на Д. р. падает излучение сложного спектрального состава, то для каждой длины волны получится свой набор спектральных линий и, следовательно, излучение будет разложено в спектры по числу возможных значений m. Относительная интенсивность линий определяется функцией распределения энергии от отдельной щели.

Основными характеристиками Д. р. являются угловая дисперсия и разрешающая способность. Угловая дисперсия, определяющая угловую ширину спектра, зависит от отношения разности углов дифракции для двух длин волн:

Т. о., угловая ширина спектров изменяется приблизительно пропорционально номеру порядка спектра. Разрешающая способность R измеряется отношением длины волны к наименьшему интервалу длин волн, который ещё может разделить решётка:
где N - число щелей Д. р., a W - ширина заштрихованной поверхности. При заданных углах разрешающая способность может быть повышена только за счёт увеличения ширины Д. р.
Д. р., применяемые для работы в различных областях спектра, отличаются частотой и профилем штрихов, размерами, формой, материалом поверхности и др. Для ультрафиолетовой и видимой областей наиболее типичны Д. р., имеющие от 300 до 1200 штрихов на 1 мм. Штрихи этих Д. р. выполняют в слое алюминия, предварительно нанесённом на стеклянную поверхность испарением в вакууме. Д. р. для вакуумной ультрафиолетовой области изготавливаются преимущественно на стеклянных поверхностях. В этой области незаменимы Д. р., изготовленные на вогнутых (в большинстве случаев - сферических) поверхностях, обладающих способностью фокусировать спектр. В инфракрасной области применяются Д. р., называемые эшелеттами, которые имеют от 300 до 0,3 штрихов на 1 мм и выполняются на различных мягких металлах.
Кроме спектральных приборов, Д. р. применяются также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные Д. р.), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и для др. целей. В СССР изготовляются все известные виды Д. р. Максимальное количество штрихов на 1 мм составляет 2400, а максимальный размер заштрихованной поверхности равен 300 ´ 300 мм.
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Курс общей физики, т. 3); Тарасов К. И., Спектральные приборы, Л., 1968. См. также лит. при ст. дифракция света.
? Ф. М. Герасимов.