Kurs:Optik/Beugung am Gitter

Gitter im Sinne der Optik bestehen aus einer dichten Reihe von parallelen Spalten.

Die farbigen Reflexionen von CDs und DVDs dürften wohl die bekanntesten Beugungserscheinungen sein. Hier wirkt die in die CD eingeprägte reflektierende Rillenstruktur der Datenspuren als Gitter, in diesem Fall also als Reflexionsgitter. Die starke Dispersion lässt schon vermuten, dass sich mit diesen Scheiben auch ohne zusätzliche optische Einrichtungen Ordentliches erreichen lässt. Einige einfache Versuche werden im Folgenden beschrieben. Mit einer DVD funktionieren die Versuche nicht: das Rillenmuster ist hier bereits zu dicht, der Beugungswinkel ist infolge dessen sehr groß, sodass die Reflexion zwischen wirksamem Rillenmuster und Schutzschicht sehr störend wirkt.

Versuch N.1 - Das kontinuierliche Spektrum

Wir betrachten das Licht einer thermischen Lichtquelle (konventionelle, bald schon altmodische Glühbirne, Kerzenflamme ...) in einer Entfernung von einigen Metern im Reflex einer CD. Zunächst ignorieren wir alle bunten Effekte auf der Scheibe und suchen das Spiegelbild der Lichtquelle. Nun kippen wir die Scheibe (langsam!) derart, dass das Bild der Lichtquelle in Richtung des Scheibenzentrums wandert. Bald erscheint ein violetter Farbsaum am Rand, der beim weiteren Kippen die nachfolgenden Farben des Spektrums zeigt. Dieses Spektrum geht am roten Ende in eine Dunkelzone über, der bald die nächste violette (usw.) Zone folgt. Hier brechen wir den Versuch zunächst ab und probieren noch einige Male von vorn, um etwas Übung zu bekommen im Umgang mit der Kippbewegung.

Versuch N.2

Wir suchen erneut das Spiegelbild der Lichtquelle. Nun kippen wir die Scheibe nach außen, sodass das Spiegelbild zum Rand wandert. Am Zentrum der Scheibe erscheint ebenfalls erst Violett, dann Blau, Grün, Gelb, Rot, Dunkel und bei weiterem Kippen wieder Violett ... !Bild: Schematische Darstellung!

Wir erinnern uns an den Doppelspalt: Das gerade durchfallende Licht nannten wir die nullte Ordnung. Symmetrisch zur Ebene, die durch die Lichtquelle und den Spalt aufgespannt wird, hatten wir das Maximum der ersten Ordnung gefunden, evtl. weiter außerhalb das Maximum zweiter Ordnung und vielleicht, unter sehr günstigen Bedingungen sogar die dritte Ordnung. ... Spiegelbild = nullte ...

Versuch N.3 - Zuviel des Guten ...

Wir gehen nun wiederum gemäß Versuch N.1 vor, kippen jedoch dieses Mal die Scheibe so weit, dass wir die zweite Ordnung klar betrachten können. Dort, im roten Bereich, wo die Beugung der ersten Ordnung in Dunkelheit überging, können wir bei der zweiten Ordnung einen merkwürdigen Rotton erkennen. An diesen anschließend folgt sofort blau, grün usw. Der seltsame Rotton ist offensichtlich eine Mischfarbe aus dem rot der zweiten Ordnung und dem violett der dritten Ordnung. Dieser Versuch zeigt deutlich, dass schon bei einer CD das Gitter so dicht ist, dass nur die erste Ordnung für weitere Untersuchungen im gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums brauchbar ist. Alle weiteren Ordnungen haben Überschneidungen. Dass unsere CD als Reflexionsgitter noch eine weitere unangenehme Eigenschaft hat, zeigt der folgende Versuch. Dafür brauchen wir einen Laserpointer.

Versuch N.4 - Die Grenzen der CD als optisches Instrument

Wie wir schon aus den ersten Versuchen des Kurses, Brechung und Reflexion wissen, wird bei jedem Durchgang des Lichts durch eine Grenzfläche zwischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte ein Teil des auf die Grenzfläche treffenden Lichts reflektiert, was bis zur Totalreflexion führen kann. Je größer der Beugungswinkel wird (bei der CD deutlich sichtbar ab der zweiten Ordnung, bei der DVD schon bei der ersten Ordnung), desto stärker treten diese Nebenerscheinungen in den Vordergrund.

!Bild! ...Erste Ordnung geht grade noch, zweite durch Refl. gestört (verbreiterer Laserpunkt) ...

Versuch N.5 - Ein Emmissionsspektrum

Wir wiederholen Versuch N.1, dieses Mal jedoch mit einer entfernten Straßenlaterne als Lichtquelle. Bei Straßenlaternen handelt es sich um Metalldampflampen (Quecksilberdampflampen mit blau-grünem Licht oder orange-gelbe Natriumdampflampen). Wir sehen einige helle, farbige Linien, die zumindest im roten Bereich evtl. eingebettet in ein schwächeres kontinuierliches Spektrum erscheinen.