Tout savoir sur les réseaux de diffraction

Les réseaux de diffraction sont des composants optiques essentiels pour une grande variété d'applications, notamment les spectromètres, d'autres appareils d’analyse, les télécommunications et les systèmes laser. Les réseaux contiennent une structure de rainures microscopiques et périodiques qui divise la lumière incidente en plusieurs faisceaux par diffraction, ce qui a pour effet de propager la lumière de différentes longueurs d'onde dans différentes directions. La fonction des réseaux de diffraction est donc similaire à celle des prismes de dispersion, bien que le prisme sépare les longueurs d'onde en fonction de la longueur d'onde par réfraction plutôt que par diffraction (Figure 1). Pour une discussion sur les différences entre la diffraction et la réfraction, veuillez consulter notre Note d’application Optics 101 : Level 1 Theoretical Foundations.

Figure 1 : Alors que les prismes de dispersion séparent les longueurs d'onde par réfraction (en haut), les réseaux de diffraction séparent les longueurs d'onde par diffraction en raison de leur structure de surface (en bas).

La lumière incidente sur un réseau est diffractée selon l'équation du réseau :

m est une valeur entière décrivant l'ordre de diffraction (ou spectral), λ est la longueur d'onde de la lumière, d est l'espacement entre les rainures du réseau, α est l'angle d'incidence de la lumière, et β est l'angle de diffraction de la lumière quittant le réseau. L'interférence constructive de différents fronts d'onde diffractifs se produit à des multiples entiers de la longueur d'onde, c'est pourquoi « m » apparaît dans l'équation 1. m définit les ordres de diffraction, où les angles diffractés m = 1 sont considérés comme une diffraction de « 1^er ordre », les angles où m = 2 sont considérés comme une diffraction de « 2^e ordre », et ainsi de suite (Figure 2). Si m=0, la lumière est soit directement réfléchie par le réseau, soit transmise à travers celui-ci, selon qu'il s'agit d'un réseau de réflexion ou de transmission, et cette lumière est considérée comme la diffraction « d'ordre 0 ». A l'inverse des prismes de dispersion, les longueurs d'onde inférieures sont toujours plus proches de la lumière directement réfléchie ou transmise, dans ce cas l'ordre 0. Il y aura un certain chevauchement entre les différents ordres. Tous les angles sont mesurés à partir de l'incidence normale du réseau (perpendiculaire au réseau). 

Figure 2 : Alors qu'une partie de la lumière est réfléchie directement par ce réseau par une diffraction « d'ordre 0 », d'autres parties de la lumière incidente sont diffractées dans des angles de « 1^er ordre » en fonction de la longueur d'onde. Les plus petites quantités de la lumière incidente seront également séparées en plus grands ordres (2^e et 3^e) à des angles plus élevés.

Le motif des rainures d'un réseau, c’est à dire l'espacement entre les rainures (d), détermine les angles auxquels les différents ordres sont diffractés. Dans certaines situations, l'espacement des rainures peut être conçu pour varier sur le réseau afin d'obtenir différents niveaux de diffraction sur la pièce. Le profil des rainures du réseau, quant à lui, décrit leur forme et détermine la quantité de lumière diffractée et la quantité de lumière simplement réfléchie ou transmise par le réseau. Les diagrammes d'efficacité sont utilisés pour caractériser le pourcentage de lumière qui sera diffracté à chaque longueur d'onde. L'efficacité sera unique pour différents états de polarisation, de sorte que les graphiques d'efficacité montrent généralement des courbes différentes pour les polarisations s et p. Des traitements métalliques ou diélectriques sont souvent ajoutés aux réseaux pour les rendre réfléchissants et/ou augmenter leur efficacité.

Que faut-il considérer lors du choix d'un réseau ?

Lors du choix d'un réseau, il est important de préciser la gamme de longueurs d'onde, la longueur d'onde de blaze (qui est la longueur d'onde du spectre diffracté présentant la plus grande efficacité) et l'angle de blaze. L'angle de blaze décrit l'angle de diffraction de premier ordre de la longueur d'onde de blaze. À cet angle, α et β sont égaux dans l'équation 1 et la lumière incidente est diffractée en retour dans la même direction exacte d'où elle est venue. Cette situation est également appelée la configuration Littrow. S'approcher de cet angle dans un système permet d'obtenir une efficacité maximale.

La densité des rainures, ou fréquence, est généralement spécifiée, et elle est l'inverse de l'espacement des rainures (d). Une propriété essentielle du système optique est son niveau de dispersion, mais celui-ci dépend à la fois des propriétés du réseau et de la manière dont il est utilisé. Il est impossible de donner à un réseau de diffraction une spécification précisant comment une certaine quantité de rotation correspond à une certaine séparation des longueurs d'onde sans connaître les autres détails du système. On peut également spécifier le pouvoir de résolution d'un réseau, qui est lié à la résolution spectrale du système. Cependant, cette résolution dépend à la fois du réseau et des fentes d'entrée et de sortie du système. Le pouvoir de résolution (R) du réseau dépend de l'ordre spectral (m) et du nombre de rainures sous illumination (N) :

Il y a souvent tellement de rainures sous éclairage que les fentes d'entrée et de sortie sont les facteurs limitant la résolution du système, et non pas le réseau. Les courbes d'efficacité peuvent également être utiles pour vérifier le niveau de diffraction pour toutes les longueurs d'onde qui seront utilisées dans l'application.

Les réseaux doivent être au moins aussi grandes que le cône de lumière ou le faisceau incident, sinon la lumière des bords sera perdue. Par conséquent, un réseau doit toujours être sous-rempli pour éviter que la lumière parasite ne rebondisse dans le système et ne crée de faux signaux.

Types de réseaux

Réseaux à réflexion par rapport aux réseaux à transmission

Les deux plus grandes catégories de réseaux de diffraction sont les réseaux à réflexion et à transmission. Les Figures 1 et 2 montrent des réseaux à réflexion, qui sont essentiellement des miroirs avec des rainures microscopiques. Tous les ordres diffractés sont réfléchis par le réseau à des angles différents. Les réseaux à transmission sont comme des lentilles avec des rainures microscopiques, et tous les ordres diffractés sont transmis à travers le réseau mais sont décalés par des angles suivant l'équation 1. Les réseaux à réflexion sont également connus sous le nom de réseaux réfléchissants ou réseaux réflectifs et les réseaux à transmission sont également connus sous le nom de réseaux transmissifs.

Réseaux gravés vs. réseaux holographiques

Les réseaux à réflexion et à transmission peuvent être subdivisés en réseaux gravés et holographiques, qui diffèrent par la manière dont le profil de la rainure est créé. Les rainures des réseaux gravés sont gravées ou découpées mécaniquement dans la pièce, tandis que les rainures des réseaux holographiques sont introduites optiquement. Dans les réseaux holographiques, un matériau photosensible appelé photorésist est déposé sur le substrat et exposé à un motif d'interférence optique qui interagit avec le photorésist. Le photorésist restant est ensuite éliminé à l’aide de produits chimiques, laissant derrière lui un motif de réseau. Les réseaux gravés présentent généralement des rainures triangulaires, comme celles illustrées à la Figure 1, tandis que les réseaux holographiques présentent généralement des rainures sinusoïdales (Figures 3 et 4).

Figure 3 : Les réseaux de diffraction gravés présentent généralement des rainures triangulaires.

Réseaux échelette

Les réseaux échelette présentent un espacement des rainures plus important, ou une densité de rainures plus faible, que les autres réseaux, généralement d'un facteur 10 environ, mais parfois d'un facteur 100. L'éclairage d'un réseau échelette à un angle d'incidence(α) élevé se traduira par une dispersion, un pouvoir de résolution et une efficacité élevés avec une faible dépendance à la polarisation. Ces réseaux sont idéaux pour les situations où une haute résolution est nécessaire, comme les instruments astronomiques sensibles et les systèmes visant la résolution atomique.

Réseaux plans par rapport aux réseaux concaves

Tous les types de réseaux ci-dessus peuvent à nouveau être divisés en réseaux plans (ou plano-) et concaves, ce qui décrit leur forme globale. Les réseaux plans sont plats et beaucoup plus courants. Si leurs rainures sont droites et espacées de manière égale, que le réseau est plat et que la lumière incidente est collimatée, toute la lumière diffractée sera collimatée. Ceci est avantageux dans de nombreuses applications car les propriétés focales du système sont indépendantes de la longueur d'onde. Les réseaux plans réduisent aussi généralement la complexité du système par rapport aux réseaux concaves. Les réseaux concaves sont incurvés et font donc converger ou diverger la lumière. Cela peut être utile pour réduire le nombre total de composants optiques nécessaires dans un système, mais les propriétés focales du système dépendront de la longueur d'onde.

Applications des réseaux

Les réseaux sont utilisés dans une grande variété d'applications différentes, mais les systèmes les plus courants sont les suivants :

Monochromateurs

Les monochromateurs utilisent des réseaux concaves ou plans ainsi que des miroirs concaves pour sélectionner une bande de longueur d'onde étroite dans la lumière incidente. Si une source de lumière blanche est incidente sur l'un de ces dispositifs, ils peuvent filtrer toutes les longueurs d'onde à l'exception de la bande de sortie étroite prévue. La Figure 5 montre comment les monochromateurs font pivoter les réseaux de sorte que différentes longueurs d'onde puissent passer à travers une fente de sortie, tandis que toutes les autres longueurs d'onde sont bloquées.

Figure 5 : Les monochromateurs à réseau plan (en haut) et les monochromateurs à réseau concave (en bas) font tourner des réseaux pour balayer les ordres diffractés à travers la fente de sortie et déterminer précisément les longueurs d'onde qui peuvent quitter le dispositif.

Spectrographes

Les spectrographes séparent les longueurs d'onde d'une source lumineuse à large bande, tout comme les monochromateurs, mais ils n'ont pas de pièces mobiles. Au lieu de cela, toutes les longueurs d'onde séparées sont représentées simultanément sur une matrice de détection (Figure 6). Chaque longueur d'onde est imagée sur un ensemble différent de pixels, ce qui permet au dispositif de déterminer la quantité de chaque longueur d'onde présente dans la source à large bande. Les spectrographes sont souvent utilisés lorsqu'une analyse rapide d'un spectre est nécessaire, car on gagne du temps en éliminant la nécessité de balayer différentes longueurs d'onde sur le détecteur.

Figure 6 : Les spectrographes à réseau plan (en haut) et les spectrographes à réseau concave (en bas) utilisent des réseaux stationnaires pour séparer les longueurs d'onde incidentes en différents pixels sur un réseau de détecteurs.

Réglage laser

Les réseaux de diffraction peuvent être utilisés de différentes manières pour ajuster la sortie spectrale d'un laser ou réduire la bande d'ondes de sortie. Les réseaux peuvent être tournés de façon à ce que la sortie du laser ne soit qu'un certain ordre de diffraction, le réseau peut être stationnaire alors qu'un miroir est tourné pour filtrer la bande d'onde de sortie, et les réseaux peuvent remplacer les miroirs dans un laser pour rendre la bande d'onde de sortie plus étroite (figure 7).

Figure 7 : Ces trois configurations montrent les différentes façons dont les réseaux peuvent être utilisés pour accorder les longueurs d'onde de sortie d'un laser ou pour réduire la gamme des longueurs d'onde de sortie.

Compression, étirement et amplification des impulsions laser

Les impulsions laser de courte durée, comme celles des lasers ultrarapides, ont souvent des puissances de crête élevées qui peuvent endommager les traitements et les composants optiques sensibles. Pour éviter cela, on utilise parfois une paire de réseaux de diffraction pour étirer une impulsion, ce qui augmente sa durée et réduit sa puissance de crête. Cette impulsion étirée peut ensuite passer par un amplificateur optique et voir sa puissance augmentée sans endommager les composants optiques. Une autre paire de réseaux dans la configuration inverse peut alors comprimer la durée de l'impulsion après l'amplificateur, ce qui permet d'obtenir une impulsion courte et de forte puissance sur la cible (Figure 8).

Figure 8 : Les réseaux peuvent être utilisés dans les systèmes laser pulsés pour augmenter la durée de l'impulsion afin d'éviter les dommages induits par le laser dans le système et pour diminuer la durée de l'impulsion afin d'obtenir une impulsion de forte puissance sur la cible.

Réseaux de Edmund Optics®

Edmund Optics® propose une large gamme de réseaux de diffraction couvrant l'ensemble des options évoquées ci-dessus.

Réseaux de Diffraction Réfléchissants Gravés

• Efficacité accrue à la longueur d'onde de conception par rapport aux réseaux holographiques

ACHETEZ DÈS MAINTENANT

Réseaux de Diffraction Réfléchissants Holographiques

• Réduction de la lumière parasite tout en conservant une grande efficacité de diffraction

ACHETEZ DÈS MAINTENANT

Réseaux de Diffraction Réfléchissants Échelette

• Pouvoirs de résolution et de dispersion les plus élevés du NUV à l’IR

ACHETEZ DÈS MAINTENANT

Réseaux de Diffraction Concaves

• Fonctionnent comme élément de focalisation et de dispersion et réduisent donc le nombre d'optiques nécessaires dans les spectromètres tout en affichant de faibles aberrations

ACHETEZ DÈS MAINTENANT

Réseaux de Diffraction en Transmission

• Séparent (diffractent) la lumière polychromatique en ses longueurs d'onde composantes par transmission

ACHETEZ DÈS MAINTENANT

Réseaux de Polarisation

• Lumière diffractée sélectivement en fonction de la polarisation

ACHETEZ DÈS MAINTENANT 

Plus de ressources

• FAQ : What is the grating equation?
• FAQ : What is the difference between reflective and transmission gratings?
• FAQ : What is the difference between holographic and ruled diffraction gratings?
• FAQ : How do the efficiency curves relate to the actual amount of light I will see at any given wavelength?
• FAQ : What is the blaze angle and blaze wavelength of a grating and how are they related?
• FAQ : Qu'est-ce que la lumière parasite et comment affecte-t-elle mon système ?
• FAQ : How do I handle and clean my gratings?
• FAQ : Quelle est la différence entre le montage de Rowland et le montage polychromateur pour les réseaux de diffraction ?