Phasengitter

Phasengitter sind optische Beugungsgitter, welche die Phase der durchlaufenden Lichtwelle beeinflussen.

Ideale Phasengitter sind vollständig durchsichtig, an den Gitterstegen wird das Licht aufgrund des Brechungsindexes des Materials verzögert. Varianten:

• Material ist an Stegen dicker oder hat einen geänderten Brechungsindex
• Übergänge zwischen Stegen und Spalten sind sprunghaft oder fließend
• Gitter ist durchsichtig (Transmissionsgitter) oder reflektiert (Reflexionsgitter).

Eine Verzögerung um beispielsweise eine halbe Wellenlänge <math>\lambda/2</math> entspricht 180° Phasenverschiebung.

Wirkung

Datei:PhaseGrating Transmission Small.jpg

Transmissions-Phasengitter (Gitterkonstante 1 µm). Das Gitter liegt auf einer Tischkante und wird von unten beleuchtet (Taschenlampe mit 3 LEDs).

Datei:PhaseGratingAndTalbotEffect.jpg

Eigenbau-Phasengitter mit Gitterkonstante 2 mm (zur Sichtbarkeit von hinten beleuchtet, oben) und erzeugter Talbot-Effekt (gepunktete Lichtzeile; unten)

Phasengitter sind durchsichtig und deshalb nicht gut sichtbar. Die Beugung (wie an jedem optischem Gitter) kann jedoch ausgenutzt werden:

• Ein dünner monochromatischer Laserstrahl wird in mehrere Richtungen aufgeteilt.

• Für bessere Ergebnisse stellt man hinter das Gitter eine (Sammel-)Linse und in den Brennpunkt der Linse einen Beobachtungsschirm. Die Linse gruppiert dann Lichtstrahlen nach ihrem Ablenkwinkel. Das benötigt einen hinreichend parallelen Lichtstrahl, erlaubt aber breitere Strahlen und gröbere Gitter.

• Bei sehr groben Gittern können die geringen Ablenkwinkel mit dem Talbot-Effekt dargestellt werden.

Anwendung

Phasengitter können gegenüber Amplitudengittern diese Vorteile haben:

• Energie: Die Lichtstärke bleibt voll erhalten.
• Fertigung: Phasengitter können z. B. aus einer stehenden Welle (Ultraschall, Licht) bestehen. Die Welle modifiziert den Brechungsindex des Mediums. Ein Beispiel sind Akustooptische Modulatoren.
• Röntgen: Röntgenstrahlen werden von keinem Material perfekt absorbiert. Deshalb sind die Stege in Amplitudengittern niemals perfekt absorbierend. Phasengitter dagegen lassen sich gut fertigen<ref>KIT Institut für Mikrostrukturtechnik (Memento vom 5. Februar 2012 im Internet Archive), Stichwort "Röntgenoptik", Abschnitt Röntgengitter</ref>.

Auslegung

Phasengitter können beispielsweise darauf ausgelegt sein, Licht einer vorgegebenen Wellenlänge <math>\lambda</math> um eine halbe Wellenlänge <math>\lambda/2</math> zu verzögern. Hat das Material des Gitters den Brechungsindex <math>n</math>, so müssen die Stege des Gitters höher sein um

<math>\Delta h = \frac{\lambda}{2 (n-1)}</math>

Haben die "Stege" des Gitters einen um <math>\Delta n</math> höheren Brechungsindex als die "Spalten" des Gitters, so beträgt die Höhe des Gitters <math>\Delta h = \lambda / (2\Delta n)</math>.

Herleitung: Durch das Material ändert sich die Frequenz <math>f</math>  des Lichts nicht gegenüber dem Vakuum. Wegen der auf <math>c_n = c_0/n</math>  reduzierten Phasengeschwindigkeit des Lichts sinkt die Wellenlänge (<math>\lambda = c / f</math> ) im Material auf <math>\lambda_n = \lambda/n</math>. Damit ergibt sich die Bedingung:

<math>1/2 = \frac{\Delta h}{\lambda_n} - \frac{\Delta h}{\lambda} = \frac{(n-1)\cdot \Delta h}{\lambda}</math>.

Einzelnachweise

<references/>