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Optisches Gitter

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Optisches Gitter

Die Beugung von Wellen kann an drei verschiedenen Hindernissen passieren. Es gibt Einzelspalte, Doppelspalte und Mehrfachspalte. Mehrfachspalte sind optische Gitter. Diese behandeln wir in diesem Artikel. Um das Thema besser zu verstehen, lies dir am besten die Artikel zur Beugung am Einzelspalt und zur Interferenz am Doppelspalt durch.

Diese Themen sind, wie das optische Gitter auch, Teilbereiche der Wellenlehre und gehören zum Fach Physik.

Was ist ein optisches Gitter?

Ein optisches Gitter kann auch als Mehrfachspalt oder als Beugungsgitter bezeichnet werden. Im Allgemeinen sind optische Gitter periodische Strukturen zur Beugung von Licht. Was die Beugung von Licht ist wird dir in dem Artikel zur Beugung am Einzelspalt erklärt.

Aus den Artikeln zur Beugung am Einzelspalt und zur Interferenz am Doppelspalt wissen wir bereits, dass es Einzelspalte, Doppelspalte und Mehrfachspalte gibt. Am besten du liest dir die beiden Artikel zuerst durch, um das optische Gitter besser verstehen zu können.

Ein optisches Gitter ist ein Mehrfachspalt, also eine Reihe von Spalten mit gleicher Spaltbreite und gleichem Abstand zueinander. Wie beim Einzel- und beim Doppelspalt wird auch bei einem optischen Gitter das Licht gebeugt. Es kommt zur Interferenz und man kann das dabei entstehende Interferenzmuster auf einem Beobachtungsschirm abbilden. Das Interferenzmuster bei einem optischen Gitter gleicht bei gleicher Spaltbreite dem des Doppelspalts. Jedoch sind die Maxima heller und schärfer. Die erhöhte Helligkeit entsteht dadurch, dass mehrere Spalte beleuchtet werden. Es kann somit mehr Licht zum Schirm gelangen.

Licht, das dabei aus einer Mischung von unterschiedlichen Farben besteht, wird in seine einzelnen Farben aufgefächert wie beim Prisma. Ein Beispiel für ein solches Licht ist weißes Licht. Ein aus dem Alltag bekanntes Beispiel sind CD´s. Auf deren Oberfläche interferiert das einfallende Licht. Dadurch werden die Interferenzfarben sichtbar.

  • Ein optisches Gitter kann auch als Mehrfachspalt oder als Beugungsgitter bezeichnet werden.
  • Ein optisches Gitter ist eine Reihe von Spalten mit gleicher Spaltbreite und gleichem Abstand zueinander.
  • Dadurch, dass beim Mehrfachspalt mehrere Spalte beleuchtet werden, ist das Interferenzmuster heller und schärfer als beim Doppelspalt.
  • Zum Beispiel weißes Licht wird wie beim Prisma in seine einzelnen Farben aufgefächert.

Wie funktioniert das optische Gitter?

Wie auch beim Einzelspalt und beim Doppelspalt spielt das huygenssche Prinzip beim Mehrfachspalt eine Rolle. Wenn eine Welle auf einen Spalt trifft, so ist laut dem huygensschen Prinzip jeder Punkt der Wellenfront ein Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle. Diese Elementarwellen überlagern sich und bilden beim Auftreffen auf dem Schirm ein Interferenzmuster.

Gitter wirken durch die Beugung von kohärentem Licht. Das Licht der einzelnen Spalten interferiert und bildet ein Interferenzmuster. Monochromatisches Licht, also einfarbiges, sichtbares Licht wird in wenige verschiedene Richtungen abgelenkt. Die Ablenkungswinkel hängen dabei von der Gitterkonstante und von der Wellenlänge ab.

via leifiphysik.de

Die Gitterkonstante

Die Abstände zwischen den einzelnen Spalten wird als Gitterkonstante bezeichnet. In der oberen Abbildung ist die Gitterkonstante mit b gekennzeichnet. Je kleiner der Abstand zwischen den Spalten ist, also je kleiner die Gitterkonstante ist, umso größer ist der Abstand der Maxima. Es lassen sich optische Gitter mit mehreren hundert Strichen pro Millimeter herstellen. Das ist ein großer Vorteil des optischen Gitters.

Beim Doppelspalt funktionieren so geringe Spaltabstände nicht. Da es beim Doppelspalt nur zwei Spalte gibt, würde so wenig Licht hindurch kommen, dass das Beugungsbild nicht sichtbar wäre. Bei optischen Gittern ist es also möglich geringe Spaltabstände herzustellen, sodass es große Abstände zwischen den Maxima gibt.

Hauptmaxima

Bei optischen Gittern kommt es zu Hauptmaxima. Das sind die Stellen an dem Schirm, bei denen Licht ankommt. Hier interferieren die Wellen der Spalte konstruktiv. Das ist der Fall, wenn der Gangunterschied Δs zwischen den einzelnen Strahlen gleich einem Vielfachen der Wellenlänge ist. Daher gilt für die Hauptmaxima:

Δs=k⋅λ

Es existieren zwischen den Hauptmaxima auch kleinere Minima und Maxima, wie in der folgenden Abbildung zu erkennen ist.

via psi.physik.kit.edu

  • Einfarbiges, sichtbares Licht wird in wenige verschiedene Richtungen abgelenkt. Die Ablenkungswinkel hängen dabei von der Gitterkonstante und von der Wellenlänge ab.
  • Die Gitterkonstante bezeichnet die Abstände zwischen den einzelnen Spalten.
  • Je kleiner die Gitterkonstante, umso größer der Abstand zwischen den Maxima.
  • Hauptmaxima sind die Stellen an dem Schirm, an denen Licht ankommt und die Wellen konstruktiv interferieren. Es gilt: Δs=k⋅λ

Welche Arten von optischen Gittern gibt es?

Es können verschiedene Typen von Gittern unterschieden werden. Die zwei bedeutendsten sind zum Einen das Transmissionsgitter und zum Anderen das Reflexionsgitter.

Das Transmissionsgitter

Als Transmissionsgitter werden diejenigen Gitter bezeichnet, die das Licht durchlassen. Sie werden auch Amplitudengitter genannt und bestehen aus einer Abfolge von durchlässigen und undurchlässigen Bereichen. Gardinen wirken zum Beispiel wie Transmissionsgitter.

Das Reflexionsgitter

Reflexionsgitter werden auch Phasengitter genannt. Sie sind optische Gitter, die das Licht reflektieren. Daher sind sie im Allgemeinen effizienter als Transmissionsgitter, weil die gesamte Strahlungsleistung zur gebeugten Leistung beiträgt. Handydisplays oder CDs wirken zum Beispiel wie Reflexionsgitter. Dies passiert bei einem Spaltenabstand unter 1,25µm

  • Es gibt unter Anderem Transmissionsgitter und Reflexionsgitter.
  • Transmissionsgitter bestehen aus einer Abfolge aus durchlässigen und undurchlässigen Bereichen.
  • Reflexionsgitter reflektieren Licht und sich effizienter als Transmissionsgitter.

Wie werden optische Gitter eingesetzt?

Optische Gitter kommen in optischen Messeinrichtungen zum Einsatz. Man benutzt sie zur Monochromatisierung der Strahlung oder zur Analyse von Spektren. Außerdem werden mit optischen Gittern Laser frequenzstabilisiert, kurze Laser-Impulse hoher Leistung verstärkt und in Lasershows Punktmuster erzeugt.

CD als optisches Gitter

Wie bereits oben im Artikel erwähnt, können CDs als Beispiel für optische Gitter genannt werden. Wenn man eine CD im Licht betrachtet, kann man beobachten, dass sie bunt schillert. Die Ursache dafür ist, dass CDs wie optische Gitter wirken. Es entstehen Interferenzmaxima, deren Lage von der Wellenlänge des Lichts abhängen. Die Oberfläche erscheint dadurch je nach Betrachtungswinkel in unterschiedlichen Farben.

via abi-physik.de

Die digitalen Informationen auf einer CD sind in einer spiralförmigen Spur gespeichert, die unterschiedlich lange Vertiefungen besitzt. Der Abstand der Spuren ist sehr klein und konstant. Die Oberfläche weist somit eine regelmäßige Struktur auf. Auf der anderen Seite der CD befindet sich die Reflexionsschicht, sodass die CD ein Reflexionsgitter darstellt.

  • CDs wirken wie optische Gitter, genauer wie Reflexionsgitter.
  • Es entstehen Interferenzmaxima, deren Lage von der Wellenlänge des Lichts abhängen. Die Oberfläche erscheint dadurch je nach Betrachtungswinkel in unterschiedlichen Farben.

Optisches Gitter – Alles Wichtige auf einen Blick:

  • Ein optisches Gitter kann auch als Mehrfachspalt oder als Beugungsgitter bezeichnet werden.
  • Ein optisches Gitter ist eine Reihe von Spalten mit gleicher Spaltbreite und gleichem Abstand zueinander.
  • Die Gitterkonstante bezeichnet die Abstände zwischen den einzelnen Spalten.
  • Je kleiner die Gitterkonstante, umso größer der Abstand zwischen den Maxima.
  • Hauptmaxima sind die Stellen an dem Schirm, an denen Licht ankommt und die Wellen konstruktiv interferieren. Es gilt: Δs=k⋅λ
  • Transmissionsgitter bestehen aus einer Abfolge aus durchlässigen und undurchlässigen Bereichen.
  • Reflexionsgitter reflektieren Licht und sich effizienter als Transmissionsgitter.
  • CDs wirken wie optische Gitter, genauer wie Reflexionsgitter.
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