Was ist ein Beugungsgitter?
Beugungsgitter sind optische Elemente, die mit feinen, gleichmäßig verteilten Rillen auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Wenn Licht auf ein Beugungsgitter gestrahlt wird, bewirkt die Wirkung der Rillen eine Beugung des Lichts, sodass das einfallende Licht nach Wellenlängen aufgeteilt werden kann. Es gibt durchlässige, reflektierende und gelötete Typen. Jede hat eine etwas andere Struktur und daher eine andere spektrale Leistung.
Anwendungen von Beugungsgittern
Beugungsgitter haben fein gerillte Oberflächen und besitzen die Eigenschaft der Spektroskopie, bei der das einfallende Licht in verschiedene Wellenlängen aufgeteilt wird. Diese Gitter werden in Geräten verwendet, die diese Eigenschaft nutzen, um die Wellenlänge des Lichts zu steuern.
Sie werden zum Beispiel in Monochromatoren verwendet, die eine einzige Wellenlänge emittieren, und in Polychromatoren, die eine Wellenlänge mit fester Breite emittieren. Zudem werden sie auch in Spektralfotometern für astronomische Beobachtungen, in verschiedenen spektroskopischen Analysegeräten in den Naturwissenschaften und in Geräten zur Herstellung und Qualitätskontrolle von Arzneimitteln und Chemikalien verwendet.
Funktionsweise eines Beugungsgitters
Beugungsgitter werden hergestellt, indem ein Metall wie Aluminium auf ein Glassubstrat aufgebracht und eine große Anzahl paralleler Linien eingeschrieben wird – 15 000 bis 30 000 für UV- bis sichtbares Licht und 15 000 bis 25 000 für infrarotes Licht. Diese Rillen streuen das einfallende Licht und erzeugen Interferenzstreifen. Dadurch kann das einfallende Licht nach Wellenlängen spektral aufgeteilt werden.
Wegen ihrer im Vergleich zu Prismen besseren Lichtauflösung und der gleichen Streuung bei allen Wellenlängen werden Beugungsgitter in vielen spektrometrischen Geräten verwendet. Prismen werden aus optischem Glas hergestellt und verwenden unterschiedliche Brechungsindizes für verschiedene Wellenlängen des Lichts, um eine Dispersion zu erreichen. Beugungsgitter hingegen nutzen die Tatsache, dass sich die Beugungsrichtung des einfallenden Lichts je nach Wellenlänge des Lichts unterschiedlich bricht, um es zu streuen.
Beugungsgitter nutzen das Beugungsphänomen des Lichts aus. Licht, das auf einen feinen Spalt fällt, wird in verschiedene Richtungen gebeugt, wobei der Spalt die Wellenquelle ist. Beugungsgitter haben Rillen oder andere Strukturen, die diesen Schlitzen entsprechen in gleichen Abständen (in Form eines Gitters). Das von den Rillen abgestrahlte oder reflektierte Licht verursacht Interferenzen. Das von den Rillen abgestrahlte oder reflektierte Licht interferiert miteinander. Interferiert das Licht in der Winkelrichtung des Emissions- oder Reflexionswinkels so, dass der optische Wegunterschied zwischen benachbarten Rillen ein gerades Vielfaches einer halben Wellenlänge (ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge) ist, verstärkt es sich gegenseitig. Während es in der Winkelrichtung so interferiert, dass der optische Wegunterschied ein ungerades Vielfaches einer halben Wellenlänge (ein halbes ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge) ist, schwächt es sich gegenseitig. Nach diesem Prinzip kann das Licht in Wellenlängen aufgeteilt und separat extrahiert werden.
Es gibt zwei Arten von Beugungsgittern: Original und Replika. Originale Beugungsgitter sind schwierig und teuer in der Herstellung, da sie besonders präzise sein müssen. Replikagitter können in großen Stückzahlen aus Originalgittern hergestellt werden und sind daher billiger und weiter verbreitet.
Arten von Beugungsgittern und was bei seiner Anwendung zu beachten ist
Es gibt zwei Haupttypen von Beugungsgittern. Das eine ist lichtdurchlässig, das andere reflektiert das Licht. Transmissionsgitter, die Licht durchlassen, werden seltener verwendet, da sie Transparenz über einen breiten Wellenlängenbereich erfordern, werden aber häufig in der Ausbildung eingesetzt, z. B. zur einfachen Demonstration der Spektroskopie des natürlichen Lichts. Reflexionsgitter, eine weitere Art von Beugungsgittern, sind in eine Metalloberfläche eingravierte Gitter und werden hauptsächlich in Spektralphotometern verwendet, bei denen es auf Genauigkeit ankommt.
Bei der Handhabung von Beugungsgittern muss darauf geachtet werden, dass kein Schmutz an ihnen haftet. Die Handhabung mit bloßen Händen kann zum Beispiel dazu führen, dass Bestandteile wie Talg am Beugungsgitter haften bleiben und dessen Leistung beeinträchtigen. In Umgebungen, in denen es leicht zu Kondenswasserbildung kommt, kann Wasser am Beugungsgitter haften bleiben und seine optischen Eigenschaften beeinträchtigen. Beim Umgang mit intensivem Licht, z. B. Laserlicht, ist es außerdem notwendig, das Beugungsverhalten im Voraus zu prüfen und die Richtung zu kennen, in die das Licht fliegt, damit es keine Menschen bestrahlt.