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 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 distancia 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 elemento dispersivo . Debido a esto, las rejillas de difracción se usan 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]}

Para 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 pájaro, que fue efectivamente la primera rejilla de difracción (en forma natural) descubierta, aproximadamente un año después de los experimentos con prismas de Isaac Newton . ^[8] La primera rejilla de difracción artificial fue fabricada alrededor de 1785 por el inventor de Filadelfia David Rittenhouse , quien ensartó pelos 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]} Utilizando estos principios, Fraunhofer fue el primero en utilizar una rejilla de difracción para obtener espectros de líneas y el primero en medir las longitudes de onda de las líneas espectrales con una rejilla de difracción.

Las rejillas con la distancia entre líneas más baja (d) fueron creadas, en la década de 1860, por Friedrich Adolph Nobert (1806–1881) en Greifswald; ^[16] luego, los dos estadounidenses Lewis Morris Rutherfurd (1816–1892) y William B. Rogers (1804–1882) asumieron el liderazgo; ^{[17] [18]} y, a finales del siglo XIX, las rejas cóncavas de Henry Augustus Rowland (1848-1901) eran las mejores disponibles. ^{[19] [20]}

Una rejilla de difracción puede crear colores de "arco iris" cuando es iluminada por una fuente de luz de amplio espectro (por ejemplo, continua). Los colores parecidos al arco iris de pistas estrechas y poco espaciadas en discos ópticos de almacenamiento de datos, 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 las rejillas unidimensionales, pero también son posibles las 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 plásticas decorativas estampadas basadas en parches de rejilla reflectantes son económicas y comunes. Una separación de color similar que se observa 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 películas delgadas de las capas transmisoras apiladas estrechamente.

Teoría de operación

Una rejilla de difracción que refleja sólo la porción verde del espectro de la iluminación fluorescente de una habitación.

Para una rejilla de difracción, la relación entre el espaciado de la rejilla (es decir, la distancia entre ranuras o rendijas adyacentes), el ángulo de incidencia de la onda (luz) en la rejilla y la onda difractada de la rejilla se conoce como ecuación de la rejilla. . Como muchas otras fórmulas ópticas, la ecuación de la rejilla se puede derivar utilizando el principio de Huygens-Fresnel , ^{[21] que} establece que se puede considerar que cada punto en un frente de onda de una onda en propagación actúa como una fuente de onda puntual, y un frente de onda en cualquier El punto siguiente se puede encontrar sumando las contribuciones de cada una de estas fuentes de onda puntuales individuales en el frente de onda anterior.

Las rejillas pueden ser del tipo "reflectante" o "transmisivo", análogas a un espejo o 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.

Un diagrama que muestra la diferencia de trayectoria entre los rayos de luz dispersados ​​desde reglas adyacentes en la misma posición local en cada regla de una rejilla de difracción reflectante (en realidad, una rejilla quemada). 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. Tenga en cuenta que el par de partes de la trayectoria del rayo negro y el par de partes de la 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 la 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 rendijas de espaciado , que deben ser más anchas que la longitud de onda de interés para provocar la difracción. Suponiendo una onda plana de luz monocromática de longitud de onda con incidencia normal sobre una rejilla (es decir, los frentes de onda de la onda incidente son paralelos al plano principal de la rejilla), cada rendija en la rejilla actúa como una fuente de onda casi puntual desde la cual la luz se propaga en todas partes. direcciones (aunque esto generalmente se limita al hemisferio delantero desde la fuente puntual). Por supuesto, cada punto en cada rendija a la que llega la onda incidente actúa 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 puntos en los que la intensidad de la onda de difracción es mayor están determinados únicamente por estas fuentes cuasi puntuales que corresponden a las rendijas de 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 de interferencia ^[22] que emanan de cada rendija de la rejilla; En cualquier punto dado del 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 desde las rendijas de la rejilla en el punto de observación dado crea un pico, un 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 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 ocurren 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 número 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 de una rejilla de difracción por difracción (1), y un prisma por refracción (2). Las longitudes de onda más largas (rojas) se difractan más, pero menos que las longitudes de onda más cortas (violeta).

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

Cuando una onda de luz plana normalmente incide sobre una rejilla de período , la luz difractada tiene máximos en los ángulos de difracción dados por un caso especial de la ecuación de la 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 ${\displaystyle \theta _{i}}$

$${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d}},}$$

$${\displaystyle \sin \theta _{i}+\sin \theta _{m}={\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }},}$$

${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \theta _{i}}$ ${\displaystyle \theta _{m}}$ ${\displaystyle m}$

$${\displaystyle \theta _{m}=\arcsin \!\left(\sin \theta _{i}-{\frac {m\lambda }{d\sin \gamma }}\right).}$$

La luz difractada que corresponde a la transmisión directa para una rejilla de difracción transmisiva o a la reflexión especular ^[24] para una rejilla reflectante se denomina orden cero y se denota . Los otros máximos de intensidad de luz difractada ocurren en ángulos representados por órdenes de difracción de números enteros distintos de cero . Tenga en cuenta que puede ser positivo o negativo, correspondiente a los 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 llama rejilla quemada), la ecuación se puede aplicar a cualquier estructura regular del mismo espaciado, porque la relación de fase entre la luz dispersada desde Los elementos difractores adyacentes de la rejilla siguen siendo los mismos. La distribución detallada de las propiedades de la luz difractada (por ejemplo, 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 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 la 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 difracción de reflexión, que muestra las distintas líneas espectrales producidas por la lámpara.

La electrodinámica cuántica (QED) ofrece otra derivación de las propiedades de una rejilla de difracción en términos de fotones como partículas (en algún nivel). QED se puede describir intuitivamente con la formulación integral de trayectoria de la mecánica cuántica. Como tal, puede modelar que los fotones sigan potencialmente 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 simplemente las llama Richard Feynman en su libro sobre QED, "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 procedente de una fuente monocromática llegue a un determinado 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 determinado una cantidad de tiempo determinada después, se establece la amplitud de probabilidad del fotón que gira cuando abandona la fuente, lo sigue hasta el espejo y luego hasta su punto final, incluso para caminos que no implican rebotar en el espejo en ángulos iguales. Entonces se puede evaluar la amplitud de probabilidad en el punto final del fotón; a continuación, se pueden integrar todas estas flechas (ver suma vectorial ) 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 toman 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 las trayectorias cerca del sitio de reflexión clásico 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 cercanas al borde del espejo que generalmente cancelan las amplitudes cercanas, pero ahora, dado que los fotones no se reflejan en las porciones raspadas, las amplitudes de probabilidad todo eso apuntaría, por ejemplo, a cuarenta y cinco grados, puede dar una suma considerable. Por lo tanto, esto permite que la luz de la frecuencia correcta sume 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 está quizás en el hecho de que el "giro" de las flechas de amplitud de probabilidad en realidad se explica con mayor precisión 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 que el momento en que el fotón abandonó la fuente sea indeterminado, y el tiempo del recorrido ahora nos dice cuándo el fotón habría abandonado la fuente y, por tanto, cuál sería el ángulo de su "flecha". sería. Sin embargo, este modelo y esta aproximación son razonables 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 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 difractadas. 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 siguiente orden.

Un rayo láser de argón que consta de múltiples colores (longitudes de onda) incide en una rejilla de espejo de difracción de silicio y se separa 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 los surcos y no de su forma. Controlando 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 determinada. Generalmente se utiliza un perfil triangular. Esta técnica se llama blazing . El ángulo de incidencia 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 incidencia y longitud de onda de incidencia. 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 a la inversa del período de ranura. El período de surco 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 ranura 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 sobre una frecuencia más amplia se debe utilizar un prisma . El régimen óptico en el que es más común el uso de rejillas 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 espacio entre surcos 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 isotrópico , las rejillas de sublongitud de onda dan lugar a una 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 estaban regidas por motores gobernantes de alta calidad cuya construcción suponía una gran tarea. Henry Joseph Grayson diseñó una máquina para fabricar rejillas de difracción, y tuvo éxito con una de 120.000 líneas por pulgada (aproximadamente 4.724 líneas por mm) en 1899. Más tarde, las técnicas fotolitográficas crearon rejillas mediante patrones de interferencia holográfica . Una rejilla holográfica tiene ranuras sinusoidales como resultado de un patrón de interferencia óptica sinusoidal en el material de la rejilla durante su fabricación y puede no ser tan eficiente como las rejillas regladas, pero a menudo se prefieren en monocromadores porque producen menos luz parásita . Una técnica de copia puede hacer réplicas de alta calidad a partir de rejillas maestras de cualquier tipo, reduciendo así los costos de fabricación.

Hoy en día, la tecnología de semiconductores también se utiliza para grabar rejillas con diseños holográficos en materiales robustos como la sílice fundida. De esta manera, la holografía con baja luz parásita se combina con la alta eficiencia de las rejillas de transmisión profundas grabadas y puede incorporarse a la tecnología de fabricación de semiconductores de alto volumen y bajo costo.

Rejillas VPH (holografía de fase de volumen)

Otro método para fabricar rejillas de difracción utiliza un gel fotosensible intercalado entre dos sustratos. Un patrón de interferencia holográfica expone el gel, que luego se revela. Estas rejillas, llamadas rejillas de difracción de holografía de fase de volumen (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 superficial que normalmente se observan en otros tipos de rejillas. Estas rejillas también tienden a tener mayor eficiencia 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 también se puede fabricar una rejilla de reflexión VPH 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 están selladas 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 típicas rejillas en relieve.

Otras rejillas

Una nueva tecnología para la inserción de rejillas en circuitos integrados de ondas de luz fotónicas es la holografía plana digital (DPH). Las rejillas DPH se generan en computadora y se fabrican en una o varias interfaces de una guía de ondas óptica plana mediante el uso de 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 una trayectoria de interacción más larga 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 multiplexores 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 pueden usarse para demostrar el efecto reflejando la luz del sol sobre una pared blanca. Este es un efecto secundario de su fabricación, ya que una superficie de un CD tiene muchos pequeños hoyos en el plástico, dispuestos en espiral; esa superficie tiene una fina capa de metal aplicada para hacer los hoyos más visibles. La estructura de un DVD es ópticamente similar, aunque puede tener más de una superficie picada y todas las superficies picadas están dentro del disco. ^{[29] [30]}

Debido a la sensibilidad al índice de refracción de los medios, la rejilla de difracción se puede utilizar como sensor de las propiedades de los fluidos. ^[31]

En un disco de vinilo prensado estándar , cuando se ve desde un ángulo bajo perpendicular a las ranuras, se ve un efecto similar pero menos definido al 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 la cambian, dejando un patrón en relieve de arco iris.

Las rejillas de difracción también se utilizan para distribuir uniformemente la luz frontal de 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 cotidianos 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 retirar del dispositivo. Con un puntero láser, la difracción puede revelar la estructura espacial de los sensores CCD. ^[33] Esto también se puede hacer con pantallas LCD o LED de teléfonos inteligentes. Como estas pantallas suelen estar protegidas únicamente por una carcasa transparente, se pueden realizar experimentos sin dañar los teléfonos. Si no se pretende realizar mediciones precisas, un foco puede revelar los patrones de difracción.

Rejas naturales

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

El músculo estriado es la red 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 más comúnmente confundidos con las rejillas de difracción son los colores iridiscentes de las plumas de pavo real , el nácar y las alas de mariposa . La iridiscencia en aves, ^[35] peces ^[36] e insectos ^{[35] [37]} a menudo es causada por interferencias de películas delgadas más que 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 película delgada suele producir un rango mucho más estrecho. Las superficies de las flores también pueden crear difracción, pero las estructuras celulares de las plantas suelen ser demasiado irregulares para producir la geometría de hendidura fina necesaria para una rejilla de difracción. ^[38] La señal de iridiscencia de las flores, por lo tanto, sólo es apreciable de manera muy local y, por lo tanto, no es visible para el hombre ni para los insectos que visitan las flores. ^{[39] [40]} Sin embargo, las rejillas naturales ocurren en algunos animales invertebrados, como las arañas pavo real , ^[41] las antenas de los camarones de 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 de colores que rodean una fuente de luz, como el sol. Estos suelen observarse 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 todas las partículas son casi 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 todas las partículas de las nubes son de tamaño uniforme. ^[44]

Ver también

• Píxel sensible al ángulo
• reja quemada
• Eficiencia de difracción
• Difracción de rendijas
• pico de difracción
• Vela solar difractiva
• Rejilla Echelle
• difracción de Fraunhofer
• Difracción de Fraunhofer (matemáticas)
• difracción de Fresnel
• grism
• Henry Augusto Rowland
• Efecto Kapitza-Dirac
• Fórmula de difracción de Kirchhoff
• Ecuación interferométrica de rendija N
• 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". Reseñas químicas . 99 (7): 1935-1962. doi :10.1021/cr970080y. PMID  11849015.
2. Kinoshita, S.; Yoshioka, S.; Miyazaki, J. (2008). "Física de los colores estructurales". Informes sobre los avances en física . 71 (7): 076401. Código bibliográfico : 2008RPPh...71g6401K. doi :10.1088/0034-4885/71/7/076401. S2CID  53068819.
3. "Codificadores ópticos". Movimiento Celera . Archivado desde el original el 12 de agosto de 2020 . Consultado el 1 de noviembre de 2021 .
4. Paul M, Blanchard; David J, Pescador; Simón C, Woods; Alan H, Greenaway (2000). "Detección de frente de onda de diversidad de fases con una rejilla de difracción distorsionada". Óptica Aplicada . 39 (35): 6649–6655. Código Bib : 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 Bib : 1998JaJAP..37.3749O. doi :10.1143/JJAP.37.3749. S2CID  121954416.
6. "Introducción a la rejilla de difracción" (PDF) . Laboratorios Thor. Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022 . Consultado el 30 de abril de 2020 .
7. AK Yetisen; H a tope; F. da Cruz Vasconcellos; y Montelongo; CAB Davidson; J Blyth; JB Carmody; S Vignolini; U Steiner; JJ Baumberg; TD Wilkinson; CR Lowe (2013). "Escritura dirigida por luz de sensores holográficos de banda estrecha químicamente sintonizables". Materiales ópticos avanzados . 2 (3): 250–254. doi :10.1002/adom.201300375. S2CID  96257175.
8. Carta de James Gregory a John Collins, fechada el 13 de mayo de 1673. Reimpreso en: Rigaud, Stephen Jordan, ed. (1841). Correspondencia de científicos del siglo XVII… . vol. 2. Prensa de la Universidad de Oxford. págs. 251–5.especialmente pág. 254
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Referencias

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• "Rejillas de holografía de fase de volumen". Observatorios Nacionales de Astronomía Óptica.

enlaces externos

• Rejillas de difracción Conferencia 9, Youtube
• Rejillas de difracción: el elemento dispersivo crucial
• Tutorial de óptica: rejillas de difracción regladas y holográficas
• Programa Ray-Tracing que maneja rejillas cóncavas reflectantes generales para Windows XP y superiores
• Interferencia en haces de rejilla de difracción: demostración de Wolfram