Cách tử nhiễu xạ phẳng. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng.

Cũng giống như lăng kính, ánh sáng khơng đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác
nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán xạ lớn hơn. Khi tách kênh tách bước sóng bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều
bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau. Ngược lại khi ghép
kênh, một số kênh bước sóng λ
1
, λ
2
,....., λ
n
đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi
quang.

b. Cách tử nhiễu xạ phẳng.

Xét hoạt động của một cách tử phẳng có rãnh răng cưa như hình 1.15:
Trong đó: N - đường vng góc với mặt đáy của cách tử
M - đường vng góc với cạnh của rãnh α
- góc tới của tia sáng với N α
’
- góc nhiễu xạ với N i - góc tới của tia sáng với M
KHOA CƠNG NGHỆ
SV: Đỗ Đình Ngọc
34
i
’
- góc nhiễu xạ với M d - chu kì cách tử
φ - góc nghiêng của rãnh.
Từ hình 1.15 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia sáng
thoả mãn điều kiện sau: ∆
= dsin α
+ sin α
’ = k λ
2.2 Với: k - số nguyên
λ - bước sóng
d - chu kì cách tử k = 0 ứng với truyền trực tiếp
k = ±
1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ. Nếu hệ số khúc xạ của môi trường bên ngồi cách tử là n thì 2.1 có
dạng: ndsin
α + sin
α ’ = k
λ 2.3
Cũng từ hình 1.15 ta có: i =
φ -
α i’ =
α ’ -
φ Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra:
φ =
α +
α ’2
2.4 Công thức 2.1 có thể viết dưới dạng:
λ α
α α
α
k d
= −
+ 2
cos 2
sin 2
2.5 Hay
λ α
α
k d
= −
Φ 2
cos sin
2
2.5’ Đối với cách tử phản xạ thì
φ được tính theo điều kiện của Littrow khi
α =
α ’. Theo điều kiện này tìm được
λ ứng với tán xạ bậc 1 là:
λ
1
= 2dsin φ
2.6 Khi
α
≠
α ’
λ
1
= 2dsin φ
cos
2
α α
−
2.7 Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có:
λ
2
= 2dsin φ
2.8 λ
n
=
n d
2
sin φ
2.9 Biên độ trường nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử được xác định theo
biểu thức:
KHOA CƠNG NGHỆ
SV: Đỗ Đình Ngọc
35
A =
sin sin
sin sin
sin sin
i i
d i
i d
A
n
− +
λ π
λ π
λ
2.10 Khi
λ =
λ
n
thì cường độ nhiễu xạ cực đại và bằng:
2
n n
A I
λ λ
=
2.11 Phân bố phổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức:
2
sin 
 
 
 −
− =
λ λ
π π
λ λ
π π
λ λ
n n
n k
n k
I I
n
2.12 Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng
nhiễu xạ bậc một như hình 1.16 a. Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào
φ và có dạng như hình 1.16
b.

c. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng.

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các
thành phần thu - phát; phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating. Hình 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong
đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực
tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB triển vọng có thể tách được 10 kênh.
KHOA CƠNG NGHỆ
SV: Đỗ Đình Ngọc
36
Trên hình 2.18 a và 2.18 b là bộ tách Littrow với a là cấu trúc cơ bản còn b là cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh.
Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vng góc với các rãnh cách tử.
Gương cầu lõm có tác dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử,
sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước sóng. Cấu trúc này có hệ số hội
tụ và truyền đạt bằng 1; vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0.
Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh đối với nguồn LED, 22
kênh đối với nguồn Laser; nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh. Đối với nguồn đơn sắc,
suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ 2 dB, và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm.
KHOA CƠNG NGHỆ
SV: Đỗ Đình Ngọc
37

d. Cách tử hình lòng chảo.