Aufbau und Funktionsweise des DADOS

Neben dem Aufbau des Geräts wird die Funktionsweise eines Reflexionsgitters kurz dargestellt. In Schulbüchern werden regelmäßig nur Durchlichtgitter besprochen.

Aufbau des Spektrographen

Das Licht des zu spektroskopierenden Objekts wird auf den Spektrographenspalt gebündelt. Das aus dem Spalt austretende Licht geht durch eine Kollimatorlinse, um dann als paralleles Lichtbündel auf ein Reflexionsgitter zu treffen. Dieses Gitter ist das dispergierende Element, welches das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Eine zweite Kollimatorlinse nach dem Gitter leitet das in die vorhandenen Spektralfarben aufgespaltene Licht zur visuellen Beobachtung oder zur Fotografie weiter.

Die im schulischen Physik-Unterricht verwendeten optischen Gitter sind fast immer Durchlichtgitter (Transmissionsgitter). Sie bestehen aus einer Vielzahl parallel angeordneter lichtdurchlässiger Spalte, deren Abstand im Bereich einiger Mikrometer liegt. Über die Theorie zur Beugung und Interferenz von Licht an solchen Transmissionsgittern gibt jedes Oberstufen-Physiklehrbuch erschöpfend Auskunft. Anders ist die Literatursituation bei Reflexionsgittern, wie sie im DADOS-Spektrographen zum Einsatz kommen. Deshalb wird im Folgenden die Funktionsweise eines solchen Gitters kurz beschrieben.

Funktionsweise eines Reflexionsgitters

Konzentration der Lichtintensität auf eine Beugungsordnung

Reflexionsgitter erzeugt man durch äquidistante Ritzung spiegelnder Flächen. Derartige Gitter haben den Nachteil, dass ein Großteil der Lichtintensität in das Hauptmaximum geht, wobei sich die geringe Restintensität auf sehr viele Beugungsordnungen verteilt. Um möglichst viel Intensität in eine bestimmte Ordnung zu konzentrieren, stellt man "Blaze-Gitter" her. Wie in Abb. 2 dargestellt, sind die reflektieren Flächen (blau) bei solchen Gittern um den "Blaze-Winkel" θ gegen die Gitterebene schräg gestellt. Wir betrachten zwei parallele, in den Punkten A und A' auf benachbarte reflektierende Stufen treffende Strahlen (1) und (2), die den Winkel α mit der Gitternormalen bilden. Die unter dem Winkel β zur Gitternormalen gebeugten Strahlen sind (1') und (2'). Der Gangunterschied ist dann:

Dabei ist d = AA' die Gitterkonstante. Beugungsmaxima treten dann bei δ = k λ (k = 0; 1; 2 … ) auf. Mit der Variation der Wellenlänge, das heißt mit der Farbe des Lichts, ändert sich der Winkel β, unter dem maximale Helligkeit beobachtet wird. Das Licht wird so in seine Farbbestandteile aufgespalten.

Zum Funktionsprinzip eines Blaze-Reflexionsgitters; GN = Gitternormale, FN = Furchennormale
+Abb. 2: Blaze-Reflexionsgitter; GN = Gitternormale, FN = Furchennormale

"Geblazte" DADOS-Gitter

Wenn man nun den Blaze-Winkel θ so wählt, dass die erste Beugungsordnung in Richtung der normalen Reflexion liegt, kann man den größten Teil der Lichtintensität in dieser Ordnung konzentrieren (Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1999). Die für den DADOS-Spektrographen angebotenen Gitter sind solche "geblazten" Reflexionsgitter, wobei der Blazewinkel für das Zentrum des sichtbaren Spektrums im grünen Wellenlängenbereich angepasst ist. Die angebotenen Gitter haben Gitterkonstanten von fünf Mikrometer (200 Linien pro Millimeter) beziehungsweise 1,11 Mikrometer (900 Linien pro Millimeter). In Verbindung mit einer Canon EOS 350D führt das auf Dispersionen von 0,25 Nanometer/Pixel und 0,056 Nanometer/Pixel.

Autor
Avatar Heinrich Kuypers

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