Rejilla de difracción

Componente óptico que divide la luz en varios haces

Una rejilla de difracción reflectante muy grande

Una bombilla incandescente vista a través de un filtro de efectos difractivos.

Rejilla de difracción

En óptica , una rejilla de difracción es una rejilla óptica con una estructura periódica que difracta la luz, u otro tipo de radiación electromagnética , en varios haces que viajan en diferentes direcciones (es decir, diferentes ángulos de difracción). La coloración emergente es una forma de coloración estructural . ^{[1] [2]} Las direcciones o ángulos de difracción de estos haces dependen del ángulo de incidencia de la onda (luz) en la rejilla de difracción, el espaciado o la distancia periódica entre elementos difractores adyacentes (por ejemplo, rendijas paralelas para una rejilla de transmisión) en la rejilla y la longitud de onda de la luz incidente. La rejilla actúa como un elemento dispersivo . Debido a esto, las rejillas de difracción se utilizan comúnmente en monocromadores y espectrómetros , pero también son posibles otras aplicaciones, como codificadores ópticos para control de movimiento de alta precisión ^[3] y medición de frente de onda . ^{[4] [5]}

En aplicaciones típicas, una rejilla reflectante tiene crestas o rayas en su superficie, mientras que una rejilla transmisiva tiene ranuras transmisivas o huecas en su superficie. ^[6] Una rejilla de este tipo modula la amplitud de una onda incidente para crear un patrón de difracción. Algunas rejillas modulan las fases de las ondas incidentes en lugar de la amplitud, y estos tipos de rejillas se pueden producir con frecuencia mediante el uso de holografía . ^[7]

James Gregory (1638-1675) observó los patrones de difracción causados ​​por una pluma de ave , que fue efectivamente la primera rejilla de difracción (en forma natural) en ser descubierta, aproximadamente un año después de los experimentos con prismas de Isaac Newton . ^[8] La primera rejilla de difracción hecha por el hombre fue hecha alrededor de 1785 por el inventor de Filadelfia David Rittenhouse , quien ensartó cabellos entre dos tornillos finamente roscados. ^{[9] [10]} Esto era similar a la rejilla de difracción de alambre del notable físico alemán Joseph von Fraunhofer en 1821. ^{[11] [12]} Los principios de la difracción fueron descubiertos por Thomas Young ^[13] y Augustin-Jean Fresnel . ^{[14] [15]} Usando estos principios, Fraunhofer fue el primero en usar una rejilla de difracción para obtener espectros de líneas y el primero en medir las longitudes de onda de líneas espectrales con una rejilla de difracción.

En la década de 1860, Friedrich Adolph Nobert (1806-1881) fabricó rejillas de difracción de última generación con un pequeño período de ranura ( d ) en Greifswald ; ^[16] luego, los dos estadounidenses Lewis Morris Rutherfurd (1816-1892) y William B. Rogers (1804-1882) tomaron la iniciativa. ^{[17] [18]} A fines del siglo XIX, las rejillas cóncavas de Henry Augustus Rowland (1848-1901) eran las mejores disponibles. ^{[19] [20]}

Una rejilla de difracción puede crear colores de " arcoíris " cuando se ilumina con una fuente de luz de amplio espectro (por ejemplo, continua). Los colores similares al arcoíris de pistas estrechas y muy espaciadas en discos de almacenamiento de datos ópticos, como CD o DVD, son un ejemplo de difracción de luz causada por rejillas de difracción. Una rejilla de difracción habitual tiene líneas paralelas (es cierto para rejillas unidimensionales, pero también son posibles rejillas bidimensionales o tridimensionales y tienen sus aplicaciones, como la medición del frente de onda), mientras que un CD tiene una espiral de pistas de datos finamente espaciadas. Los colores de difracción también aparecen cuando se mira una fuente puntual brillante a través de una cubierta de tela de paraguas translúcida de paso fino. Las películas de plástico con patrones decorativos basadas en parches de rejilla reflectantes son económicas y comunes. Una separación de colores similar observada en capas delgadas de aceite (o gasolina, etc.) sobre agua, conocida como iridiscencia , no es causada por la difracción de una rejilla sino más bien por la interferencia de una película delgada de las capas transmisivas apiladas estrechamente.

Teoría del funcionamiento

Una rejilla de difracción resplandeciente que refleja únicamente la parte verde del espectro de la iluminación fluorescente de una habitación.

En el caso de una rejilla de difracción, la relación entre el espaciado de la rejilla (es decir, la distancia entre ranuras o rendijas adyacentes de la rejilla), el ángulo de incidencia de la onda (luz) en la rejilla y la onda difractada de la rejilla se conoce como ecuación de rejilla. Al igual que muchas otras fórmulas ópticas, la ecuación de rejilla se puede derivar utilizando el principio de Huygens-Fresnel ^[21] , que establece que cada punto en un frente de onda de una onda que se propaga puede considerarse como una fuente de onda puntual, y se puede encontrar un frente de onda en cualquier punto posterior sumando las contribuciones de cada una de estas fuentes de onda puntual individuales en el frente de onda anterior.

Las rejillas pueden ser de tipo "reflectivo" o "transmisivo", análogas a un espejo o una lente, respectivamente. Una rejilla tiene un "modo de orden cero" (donde el orden entero de difracción m se establece en cero), en el que un rayo de luz se comporta de acuerdo con las leyes de reflexión (como un espejo) y refracción (como una lente), respectivamente.

Diagrama que muestra la diferencia de trayectoria entre los rayos de luz dispersados ​​desde líneas adyacentes en la misma posición local en cada línea de una rejilla de difracción reflexiva (en realidad, una rejilla de líneas). La elección de + o – en la fórmula de diferencia de trayectoria depende de la convención de signos para : más si describe el caso de retrodispersión, menos si describe la reflexión especular. Nótese que el par de partes de trayectoria del rayo negro y el par de partes de trayectoria del rayo verde claro no tienen diferencia de trayectoria en cada par, mientras que hay una diferencia de trayectoria en el par de partes de trayectoria del rayo rojo que importa en la derivación de la ecuación de la rejilla de difracción. ${\displaystyle \Theta _{\mathrm {m} }}$ ${\displaystyle \Theta _{\mathrm {m} }=\Theta _{\mathrm {i} }}$

Una rejilla de difracción idealizada se compone de un conjunto de ranuras con un espaciamiento de 0,01 mm (0,0001 pulg.) , que deben ser más anchas que la longitud de onda de interés para causar difracción. Suponiendo una onda plana de luz monocromática de longitud de onda con incidencia normal en una rejilla (es decir, los frentes de onda de la onda incidente son paralelos al plano principal de la rejilla), cada ranura en la rejilla actúa como una fuente de onda cuasi puntual desde la cual la luz se propaga en todas las direcciones (aunque esto se limita típicamente al hemisferio delantero desde la fuente puntual). Por supuesto, cada punto en cada ranura al que llega la onda incidente juega como una fuente de onda puntual para la onda de difracción y todas estas contribuciones a la onda de difracción determinan la distribución detallada de las propiedades de la luz de la onda de difracción, pero los ángulos de difracción (en la rejilla) en los que la intensidad de la onda de difracción es más alta están determinados solo por estas fuentes cuasi puntuales correspondientes a las ranuras en la rejilla. Después de que la luz incidente (onda) interactúa con la rejilla, la luz difractada resultante de la rejilla se compone de la suma de los componentes de onda interferentes ^[22] que emanan de cada rendija en la rejilla; En cualquier punto dado en el espacio a través del cual puede pasar la luz difractada, típicamente llamado punto de observación, la longitud del camino desde cada rendija en la rejilla hasta el punto dado varía, por lo que la fase de la onda que emana de cada una de las rendijas en ese punto también varía. Como resultado, la suma de las ondas difractadas de las rendijas de la rejilla en el punto de observación dado crea un pico, valle o algún grado entre ellos en la intensidad de la luz a través de interferencia aditiva y destructiva . ^[23] Cuando la diferencia entre los caminos de la luz desde las rendijas adyacentes hasta el punto de observación es igual a un entero impar múltiplo de la mitad de la longitud de onda, l con un entero impar , las ondas están desfasadas en ese punto y, por lo tanto, se cancelan entre sí para crear la intensidad de luz mínima (localmente). De manera similar, cuando la diferencia de trayectoria es un múltiplo de , las ondas están en fase y se produce la intensidad máxima (localmente). Para la luz en la incidencia normal a la rejilla, los máximos de intensidad se producen en ángulos de difracción , que satisfacen la relación , donde es el ángulo entre el rayo difractado y el vector normal de la rejilla , es la distancia desde el centro de una rendija al centro de la rendija adyacente, y es un entero que representa el modo de propagación de interés llamado orden de difracción. ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle l(\lambda /2)}$ ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle d\sin \theta _{m}=m\lambda }$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle m}$

Comparación de los espectros obtenidos a partir de una red de difracción por difracción (1), y de un prisma por refracción (2). Las longitudes de onda más largas (rojas) se difractan más, pero se refractan menos que las longitudes de onda más cortas (violetas).

Intensidad como mapa de calor para luz monocromática detrás de una rejilla

Cuando una onda de luz plana incide normalmente sobre una rejilla de período uniforme , la luz difractada tiene máximos en ángulos de difracción dados por un caso especial de la ecuación de rejilla como ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ $${\displaystyle \sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d}}.}$$

Se puede demostrar que si la onda plana incide en un ángulo relativo a la normal de la rejilla, en el plano ortogonal a la periodicidad de la rejilla, la ecuación de la rejilla se convierte en que describe la difracción en el plano como un caso especial del escenario más general de difracción cónica, o fuera del plano, descrito por la ecuación de rejilla generalizada: donde es el ángulo entre la dirección de la onda plana y la dirección de las ranuras de la rejilla, que es ortogonal tanto a las direcciones de la periodicidad de la rejilla como a la normal de la rejilla. Se utilizan varias convenciones de signos para , y ; cualquier elección es válida siempre que se mantenga la elección a través de los cálculos relacionados con la difracción. Cuando se resuelve para el ángulo difractado en el que se maximiza la intensidad de la onda difractada, la ecuación se convierte en ${\displaystyle \theta _{i}}$ $${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d}},}$$ $${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }},}$$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \theta _{i}}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle m}$ $${\displaystyle \theta _{m}=\arcsin \!\left(\sin \theta _{i}-{\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }}\right).}$$

La luz difractada que corresponde a la transmisión directa para una rejilla de difracción transmisiva o a la reflexión especular ^[24] para una rejilla reflexiva se denomina orden cero y se denota . Los otros máximos de intensidad de luz difractada ocurren en ángulos representados por órdenes de difracción enteros distintos de cero . Nótese que puede ser positivo o negativo, correspondiente a órdenes difractados en ambos lados del haz difractado de orden cero. ${\displaystyle m=0}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle m}$

Incluso si la ecuación de la rejilla se deriva de una rejilla específica, como la rejilla del diagrama de la derecha (esta rejilla se denomina rejilla en forma de llama), la ecuación se puede aplicar a cualquier estructura regular con el mismo espaciamiento, porque la relación de fase entre la luz dispersada desde los elementos difractores adyacentes de la rejilla sigue siendo la misma. La distribución detallada de las propiedades de la luz difractada (por ejemplo, la intensidad) depende de la estructura detallada de los elementos de la rejilla, así como del número de elementos en la rejilla, pero siempre da máximos en las direcciones dadas por la ecuación de la rejilla.

Dependiendo de cómo una rejilla modula la luz incidente sobre ella para provocar la luz difractada, existen los siguientes tipos de rejilla: ^[25]

• Rejilla de difracción de amplitud de transmisión, que modula espacial y periódicamente la intensidad de una onda incidente que se transmite a través de la rejilla (y la onda difractada es la consecuencia de esta modulación).
• Rejillas de difracción de amplitud de reflexión, que modulan espacial y periódicamente la intensidad de una onda incidente que se refleja desde la rejilla.
• Rejilla de difracción de fase de transmisión, que modula espacial y periódicamente la fase de una onda incidente que pasa a través de la rejilla.
• Rejilla de difracción de fase de reflexión, que modula espacial y periódicamente la fase de una onda incidente reflejada desde la rejilla.

Una rejilla de difracción de eje óptico , en la que el eje óptico se modula espacial y periódicamente, también se considera una rejilla de difracción de fase de reflexión o de transmisión.

La ecuación de rejilla se aplica a todas estas rejillas debido a la misma relación de fase entre las ondas difractadas de los elementos difractores adyacentes de las rejillas, incluso si la distribución detallada de la propiedad de la onda difractada depende de la estructura detallada de cada rejilla.

Electrodinámica cuántica

Una lámpara fluorescente helicoidal fotografiada en una rejilla de reflexión-difracción resplandeciente, que muestra las diversas líneas espectrales producidas por la lámpara.

La electrodinámica cuántica (EDQ) ofrece otra derivación de las propiedades de una red de difracción en términos de fotones como partículas (en algún nivel). La EQQ se puede describir intuitivamente con la formulación de la integral de trayectorias de la mecánica cuántica. Como tal, puede modelar los fotones como si potencialmente siguieran todos los caminos desde una fuente hasta un punto final, cada camino con una cierta amplitud de probabilidad . Estas amplitudes de probabilidad se pueden representar como un número complejo o un vector equivalente, o, como Richard Feynman simplemente los llama en su libro sobre EQQ, "flechas".

Para la probabilidad de que ocurra un determinado evento, se suman las amplitudes de probabilidad de todas las formas posibles en que puede ocurrir el evento y luego se toma el cuadrado de la longitud del resultado. La amplitud de probabilidad de que un fotón de una fuente monocromática llegue a un cierto punto final en un momento dado, en este caso, se puede modelar como una flecha que gira rápidamente hasta que se evalúa cuando el fotón alcanza su punto final. Por ejemplo, para la probabilidad de que un fotón se refleje en un espejo y sea observado en un punto dado una cantidad de tiempo determinada después, se establece la amplitud de probabilidad del fotón girando a medida que sale de la fuente, la sigue hasta el espejo y luego hasta su punto final, incluso para trayectorias que no implican rebotar en el espejo en ángulos iguales. Luego se puede evaluar la amplitud de probabilidad en el punto final del fotón; a continuación, se puede integrar sobre todas estas flechas (ver suma de vectores ) y elevar al cuadrado la longitud del resultado para obtener la probabilidad de que este fotón se refleje en el espejo de la manera pertinente. Los tiempos que tardan estos caminos son los que determinan el ángulo de la flecha de amplitud de probabilidad, ya que se puede decir que "giran" a una velocidad constante (que está relacionada con la frecuencia del fotón).

Los tiempos de los caminos cerca del sitio de reflexión clásica del espejo son casi los mismos, por lo que las amplitudes de probabilidad apuntan casi en la misma dirección; por lo tanto, tienen una suma considerable. Examinar los caminos hacia los bordes del espejo revela que los tiempos de los caminos cercanos son bastante diferentes entre sí, y por lo tanto terminamos sumando vectores que se cancelan rápidamente. Por lo tanto, existe una mayor probabilidad de que la luz siga un camino de reflexión casi clásico que un camino más alejado. Sin embargo, se puede hacer una rejilla de difracción a partir de este espejo, raspando áreas cerca del borde del espejo que generalmente cancelan amplitudes cercanas; pero ahora, como los fotones no se reflejan desde las partes raspadas, las amplitudes de probabilidad que apuntarían, por ejemplo, a cuarenta y cinco grados, pueden tener una suma considerable. Por lo tanto, esto permite que la luz de la frecuencia correcta se sume a una amplitud de probabilidad mayor y, como tal, tenga una mayor probabilidad de alcanzar el punto final apropiado.

Esta descripción particular implica muchas simplificaciones: una fuente puntual, una "superficie" en la que la luz puede reflejarse (despreciando así las interacciones con los electrones), etc. La mayor simplificación quizás se encuentre en el hecho de que el "giro" de las flechas de amplitud de probabilidad se explica de manera más precisa como un "giro" de la fuente, ya que las amplitudes de probabilidad de los fotones no "giran" mientras están en tránsito. Obtenemos la misma variación en las amplitudes de probabilidad dejando indeterminado el momento en el que el fotón abandonó la fuente, y el momento del camino ahora nos dice cuándo el fotón habría abandonado la fuente y, por lo tanto, cuál sería el ángulo de su "flecha". Sin embargo, este modelo y aproximación es razonable para ilustrar conceptualmente una rejilla de difracción. La luz de una frecuencia diferente también puede reflejarse en la misma rejilla de difracción, pero con un punto final diferente. ^[26]

Rejillas como elementos dispersivos

La dependencia de la longitud de onda en la ecuación de la rejilla muestra que la rejilla separa un haz policromático incidente en sus componentes de longitud de onda constituyentes en diferentes ángulos, es decir, es dispersiva angular . Cada longitud de onda del espectro del haz de entrada se envía en una dirección diferente, produciendo un arco iris de colores bajo la iluminación de luz blanca. Esto es visualmente similar al funcionamiento de un prisma , aunque el mecanismo es muy diferente. Un prisma refracta ondas de diferentes longitudes de onda en diferentes ángulos debido a sus diferentes índices de refracción, mientras que una rejilla difracta diferentes longitudes de onda en diferentes ángulos debido a la interferencia en cada longitud de onda.

Una bombilla de una linterna vista a través de una rejilla transmisiva, que muestra dos órdenes de difracción. El orden m = 0 corresponde a una transmisión directa de luz a través de la rejilla. En el primer orden positivo ( m = +1), los colores con longitudes de onda crecientes (del azul al rojo) se difractan en ángulos crecientes.

Los haces difractados correspondientes a órdenes consecutivos pueden superponerse, dependiendo del contenido espectral del haz incidente y de la densidad de la red. Cuanto mayor sea el orden espectral, mayor será la superposición con el orden siguiente.

Un haz de láser de argón compuesto de múltiples colores (longitudes de onda) incide sobre una rejilla de espejo de difracción de silicio y se divide en varios haces, uno para cada longitud de onda. Las longitudes de onda son (de izquierda a derecha) 458 nm, 476 nm, 488 nm, 497 nm, 502 nm y 515 nm.

La ecuación de la rejilla muestra que los ángulos de los órdenes difractados sólo dependen del período de las ranuras, y no de su forma. Al controlar el perfil de la sección transversal de las ranuras, es posible concentrar la mayor parte de la energía óptica difractada en un orden particular para una longitud de onda dada. Un perfil triangular se utiliza comúnmente. Esta técnica se llama blazing . El ángulo incidente y la longitud de onda para los cuales la difracción es más eficiente (la relación entre la energía óptica difractada y la energía incidente es la más alta) a menudo se denominan ángulo de blazing y longitud de onda de blazing. La eficiencia de una rejilla también puede depender de la polarización de la luz incidente. Las rejillas generalmente se designan por su densidad de ranuras , el número de ranuras por unidad de longitud, generalmente expresado en ranuras por milímetro (g/mm), también igual al inverso del período de la ranura. El período de la ranura debe ser del orden de la longitud de onda de interés; El rango espectral cubierto por una rejilla depende del espaciado de las ranuras y es el mismo para rejillas regladas y holográficas con la misma constante de rejilla (es decir, densidad de ranuras o período de ranura). La longitud de onda máxima que una rejilla puede difractar es igual al doble del período de la rejilla, en cuyo caso la luz incidente y difractada están a noventa grados (90°) con respecto a la normal de la rejilla. Para obtener dispersión de frecuencia en una frecuencia más amplia, se debe utilizar un prisma . El régimen óptico, en el que el uso de rejillas es más común, corresponde a longitudes de onda entre 100 nm y 10 µm . En ese caso, la densidad de ranuras puede variar desde unas pocas decenas de ranuras por milímetro, como en las rejillas echelle , hasta unos pocos miles de ranuras por milímetro.

Cuando el espaciado de las ranuras es menor que la mitad de la longitud de onda de la luz, el único orden presente es el orden m = 0. Las rejillas con una periodicidad tan pequeña (con respecto a la longitud de onda de la luz incidente) se denominan rejillas de sublongitud de onda y presentan propiedades ópticas especiales. Fabricadas sobre un material isótropo , las rejillas de sublongitud de onda dan lugar a la birrefringencia , en la que el material se comporta como si fuera birrefringente .

Fabricación

Rejilla de difracción grabada en placas.

Rejillas SR (alivio de superficie)

Las rejillas SR reciben su nombre debido a su estructura superficial de depresiones (bajo relieve) y elevaciones (alto relieve). Originalmente, las rejillas de alta resolución se gobernaban mediante máquinas de gobernación de alta calidad cuya construcción era una gran empresa. Henry Joseph Grayson diseñó una máquina para hacer rejillas de difracción, logrando una de 120.000 líneas por pulgada (aproximadamente 4.724 líneas por mm) en 1899. Más tarde, las técnicas fotolitográficas crearon rejillas a través de patrones de interferencia holográfica . Una rejilla holográfica tiene ranuras sinusoidales como resultado de un patrón de interferencia sinusoidal óptica en el material de la rejilla durante su fabricación, y puede que no sea tan eficiente como las rejillas gobernadas, pero a menudo se prefieren en los monocromadores porque producen menos luz difusa . Una técnica de copiado puede hacer réplicas de alta calidad a partir de rejillas maestras de cualquier tipo, lo que reduce los costos de fabricación.

En la actualidad, la tecnología de semiconductores también se utiliza para grabar rejillas con patrones holográficos en materiales robustos como la sílice fundida. De esta manera, la holografía con baja dispersión de luz se combina con la alta eficiencia de las rejillas de transmisión grabadas en profundidad, y se puede incorporar a la tecnología de fabricación de semiconductores de bajo costo y en grandes volúmenes.

Rejillas VPH (holografía de fase volumétrica)

Otro método para fabricar rejillas de difracción utiliza un gel fotosensible intercalado entre dos sustratos. Un patrón de interferencia holográfica expone el gel, que se desarrolla más tarde. Estas rejillas, llamadas rejillas de difracción holográfica de fase volumétrica (o rejillas de difracción VPH) no tienen ranuras físicas, sino una modulación periódica del índice de refracción dentro del gel. Esto elimina gran parte de los efectos de dispersión de la superficie que se observan típicamente en otros tipos de rejillas. Estas rejillas también tienden a tener mayores eficiencias y permiten la inclusión de patrones complicados en una sola rejilla. Una rejilla de difracción VPH es típicamente una rejilla de transmisión, a través de la cual pasa la luz incidente y se difracta, pero una rejilla de reflexión VPH también se puede hacer inclinando la dirección de una modulación del índice de refracción con respecto a la superficie de la rejilla. ^[27] En versiones anteriores de tales rejillas, la susceptibilidad ambiental era una compensación, ya que el gel tenía que estar contenido a baja temperatura y humedad. Normalmente, las sustancias fotosensibles se sellan entre dos sustratos que las hacen resistentes a la humedad y a las tensiones térmicas y mecánicas. Las rejillas de difracción VPH no se destruyen con toques accidentales y son más resistentes a los arañazos que las rejillas de relieve típicas.

Rejas flameadas

Una rejilla en forma de diente de sierra se fabrica con ranuras que tienen una sección transversal en forma de diente de sierra, a diferencia de las ranuras simétricas de otras rejillas. Esto permite que la rejilla alcance la máxima eficiencia de difracción, pero solo en un orden de difracción que depende del ángulo de las ranuras en forma de diente de sierra, conocido como ángulo de resplandor. Los usos comunes incluyen la selección de longitud de onda específica para láseres sintonizables , entre otros.

Otras rejillas

Una nueva tecnología para la inserción de rejillas en circuitos de ondas de luz fotónicas integrados es la holografía planar digital (DPH). Las rejillas DPH se generan por ordenador y se fabrican en una o varias interfaces de una guía de ondas óptica plana mediante métodos estándar de microlitografía o nanoimpresión, compatibles con la producción en masa. La luz se propaga dentro de las rejillas DPH, confinada por el gradiente del índice de refracción, lo que proporciona un camino de interacción más largo y una mayor flexibilidad en la dirección de la luz.

Ejemplos

Las ranuras de un disco compacto pueden actuar como una rejilla y producir reflejos iridiscentes .

Las rejillas de difracción se utilizan a menudo en monocromadores , espectrómetros , láseres , dispositivos de multiplexación por división de longitud de onda , dispositivos de compresión de pulsos ópticos , interferómetros ^[28] y muchos otros instrumentos ópticos.

Los CD y DVD prensados ​​comunes son ejemplos cotidianos de rejillas de difracción y se pueden utilizar para demostrar el efecto reflejando la luz solar sobre una pared blanca. Este es un efecto secundario de su fabricación, ya que una superficie de un CD tiene muchos hoyos pequeños en el plástico, dispuestos en espiral; esa superficie tiene una capa delgada de metal aplicada para hacer que los hoyos sean más visibles. La estructura de un DVD es ópticamente similar, aunque puede tener más de una superficie con hoyos, y todas las superficies con hoyos están dentro del disco. ^{[29] [30]}

Debido a la sensibilidad al índice de refracción del medio, la rejilla de difracción se puede utilizar como sensor de propiedades del fluido. ^[31]

En un disco de vinilo prensado estándar , si se observa desde un ángulo bajo perpendicular a las ranuras, se observa un efecto similar pero menos definido que el de un CD/DVD. Esto se debe al ángulo de visión (menor que el ángulo crítico de reflexión del vinilo negro) y a la trayectoria de la luz que se refleja debido a que las ranuras cambian, dejando un patrón de relieve de arco iris.

Las rejillas de difracción también se utilizan para distribuir uniformemente la luz frontal de los lectores electrónicos como el Nook Simple Touch con GlowLight . ^[32]

Rejillas de componentes electrónicos

Difracción de un foco sobre un teléfono móvil

Algunos componentes electrónicos de uso cotidiano contienen patrones finos y regulares, y como resultado sirven fácilmente como rejillas de difracción. Por ejemplo, los sensores CCD de teléfonos móviles y cámaras desechados se pueden quitar del dispositivo. Con un puntero láser, la difracción puede revelar la estructura espacial de los sensores CCD. ^[33] Esto también se puede hacer para las pantallas LCD o LED de los teléfonos inteligentes. Debido a que dichas pantallas suelen estar protegidas solo por una carcasa transparente, se pueden realizar experimentos sin dañar los teléfonos. Si no se pretenden realizar mediciones precisas, un foco puede revelar los patrones de difracción.

Rejillas naturales

Una biopelícula en la superficie de una pecera produce efectos de rejilla de difracción cuando las bacterias tienen el mismo tamaño y están espaciadas de forma uniforme. Estos fenómenos son un ejemplo de los anillos de Quetelet .

El músculo estriado es la rejilla de difracción natural más común ^[34] y esto ha ayudado a los fisiólogos a determinar la estructura de dicho músculo. Aparte de esto, la estructura química de los cristales puede considerarse como rejillas de difracción para tipos de radiación electromagnética distintos de la luz visible, esta es la base de técnicas como la cristalografía de rayos X.

Los colores iridiscentes de las plumas de pavo real , el nácar y las alas de las mariposas se confunden con mayor frecuencia con las rejillas de difracción. La iridiscencia en las aves, ^[35] los peces ^[36] y los insectos ^{[35] [37]} suele estar causada por la interferencia de una película fina en lugar de por una rejilla de difracción. La difracción produce todo el espectro de colores a medida que cambia el ángulo de visión, mientras que la interferencia de una película fina suele producir un rango mucho más estrecho. Las superficies de las flores también pueden crear una difracción, pero las estructuras celulares de las plantas suelen ser demasiado irregulares para producir la geometría de rendija fina necesaria para una rejilla de difracción. ^[38] Por tanto, la señal de iridiscencia de las flores solo es apreciable de forma muy local y, por tanto, no es visible para el hombre ni para los insectos que visitan las flores. ^{[39] [40]} Sin embargo, las rejillas naturales sí aparecen en algunos animales invertebrados, como las arañas pavo real , ^[41] las antenas de los camarones semilla e incluso se han descubierto en fósiles de Burgess Shale . ^{[42] [43]}

Los efectos de rejilla de difracción se observan a veces en meteorología . Las coronas de difracción son anillos coloridos que rodean una fuente de luz, como el sol. Por lo general, se observan mucho más cerca de la fuente de luz que los halos y son causados ​​por partículas muy finas, como gotas de agua, cristales de hielo o partículas de humo en un cielo brumoso. Cuando las partículas son casi todas del mismo tamaño, difractan la luz entrante en ángulos muy específicos. El ángulo exacto depende del tamaño de las partículas. Las coronas de difracción se observan comúnmente alrededor de fuentes de luz, como llamas de velas o farolas, en la niebla. La iridiscencia de las nubes es causada por la difracción, que ocurre a lo largo de los anillos coronales cuando las partículas en las nubes son todas uniformes en tamaño. ^[44]

Véase también

• Píxel sensible al ángulo
• Rejilla flameada
• Eficiencia de difracción
• Difracción por rendijas
• Pico de difracción
• Vela solar difractiva
• Rejilla de escalera
• Difracción de Fraunhofer
• Difracción de Fraunhofer (matemáticas)
• Difracción de Fresnel
• Grismo
• Henry Augustus Rowland
• Efecto Kapitza-Dirac
• Fórmula de difracción de Kirchhoff
• Ecuación interferométrica de N -rendijas
• Rejilla ultrasónica
• Matriz en fase con imágenes virtuales
• Placa de zona

Notas

1. Srinivasarao, M. (1999). "Nanoóptica en el mundo biológico: escarabajos, mariposas, pájaros y polillas". Chemical Reviews . 99 (7): 1935–1962. doi :10.1021/cr970080y. PMID  11849015.
2. Kinoshita, S.; Yoshioka, S.; Miyazaki, J. (2008). "Física de colores estructurales". Informes sobre el progreso en física . 71 (7): 076401. Bibcode :2008RPPh...71g6401K. doi :10.1088/0034-4885/71/7/076401. S2CID  53068819.
3. "Codificadores ópticos". Celera motion . Archivado desde el original el 12 de agosto de 2020 . Consultado el 1 de noviembre de 2021 .
4. Paul M, Blanchard; David J, Fisher; Simon C, Woods; Alan H, Greenaway (2000). "Detección de frente de onda con diversidad de fases con una rejilla de difracción distorsionada". Applied Optics . 39 (35): 6649–6655. Bibcode :2000ApOpt..39.6649B. doi :10.1364/AO.39.006649. PMID  18354679.
5. Hiroshi, Ohba; Shinichi, Komatsu (1998). "Sensor de frente de onda que utiliza una rejilla de difracción bidimensional". Revista japonesa de física aplicada . 37 (6B): 3749–3753. Código Bibliográfico :1998JaJAP..37.3749O. doi :10.1143/JJAP.37.3749. S2CID  121954416.
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Referencias

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• "Rejillas holográficas de fase volumétrica". Observatorios Nacionales de Astronomía Óptica.

Enlaces externos

• Rejillas de difracción, lección 9, Youtube
• Rejillas de difracción: el elemento dispersor crucial
• Tutorial de óptica: rejillas de difracción regladas y holográficas
• Programa de trazado de rayos que maneja rejillas cóncavas reflectantes generales para Windows XP y versiones posteriores
• Interferencia en vigas de rejilla de difracción: demostración de Wolfram