Beugungsgitter

Ein Beugungsgitter ist eine periodische Struktur, die Licht durch Mehrstrahlinterferenz in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt und für die Spektroskopie von zentraler Bedeutung ist.

Definition

Ein periodisch strukturiertes optisches Element, das einfallendes Licht in diskrete Ordnungen bei wellenlängenabhängigen Winkeln beugt, die durch die Gittergleichung festgelegt sind, und zur Zerlegung und Analyse von Licht nach Wellenlänge verwendet wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die Physik und Anwendung periodischer Beugungsstrukturen. Es umfasst die Gittergleichung, die den Beugungswinkel mit der Wellenlänge, der Gitterordnung und dem Rillenabstand in Beziehung setzt; die Unterscheidung zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern sowie zwischen Amplituden- und Phasengittern; das Blazing zur Konzentration von Licht in eine gewählte Ordnung; und das spektrale Auflösungsvermögen sowie den freien Spektralbereich, die die Leistung bestimmen. Es behandelt Gitter als dispergierende Elemente von Spektrometern und Monochromatoren sowie als Komponenten in der Pulskompression und Strahlsteuerung.

Core questions

• Wie bestimmt die Gittergleichung die Beugungswinkel für jede Wellenlänge?
• Was bestimmt das spektrale Auflösungsvermögen eines Gitters?
• Wie lenkt das Blazing Licht in eine nützliche Beugungsordnung?
• Wie zerlegen Gitter Licht anders als ein Prisma?

Key concepts

• Gittergleichung
• Beugungsordnung
• Rillenabstand
• spektrales Auflösungsvermögen
• freier Spektralbereich
• Blazed-Gitter
• Transmissions- und Reflexionsgitter
• Dispersion

Key theories

Gittergleichung

Konstruktive Interferenz von vielen gleichmäßig beabstandeten Rillen tritt auf, wenn der Wegunterschied zwischen benachbarten Rillen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, was Beugungswinkel ergibt, die von Wellenlänge, Ordnung und Rillenabstand abhängen.

Auflösungsvermögen und Blazing

Das Auflösungsvermögen eines Gitters entspricht dem Produkt aus der Beugungsordnung und der Anzahl der beleuchteten Rillen, während die Formgebung des Rillenprofils, oder Blazing, die Beugungsenergie zur Effizienz in eine gewählte Ordnung konzentriert.

Clinical relevance

Gitter sind die dispergierenden Elemente in Spektrometern, die für klinisch-chemische Analysatoren, Blutgas- und Oximetriemessungen sowie die spektrale optische Kohärenztomographie verwendet werden, wo sie Licht zur Analyse in Wellenlängen zerlegen.

History

Rittenhouse fertigte 1786 ein frühes Gitter aus feinen Drähten an, und Fraunhofer stellte im frühen neunzehnten Jahrhundert geritzte Gitter her, um das Sonnenspektrum zu untersuchen, wobei er die nach ihm benannten Absorptionslinien entdeckte. Rowlands Präzisionsritzmaschinen in den 1880er Jahren produzierten große, genaue Gitter, die die Spektroskopie revolutionierten.

Key figures

• Joseph von Fraunhofer
• Henry Augustus Rowland
• David Rittenhouse

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Warum erzeugt ein Gitter mehrere Spektren gleichzeitig?

Die Gittergleichung ist für mehrere ganzzahlige Ordnungen erfüllt, sodass Licht einer gegebenen Wellenlänge in mehrere Richtungen gebeugt wird, wobei jede Richtung einer anderen Ordnung entspricht und ein separates Spektrum erzeugt.

Inwiefern ist ein Gitter für die Spektroskopie besser als ein Prisma?

Die Dispersion eines Gitters ist annähernd linear in der Wellenlänge, und sein Auflösungsvermögen kann durch die Verwendung vieler Rillen sehr hoch gemacht werden, während ein Prisma auf Materialdispersion beruht und im Allgemeinen eine geringere Auflösung bietet.