Phasengitter

Phasengitter s​ind optische Beugungsgitter, welche d​ie Phase d​er durchlaufenden Lichtwelle beeinflussen. Ideale Phasengitter s​ind vollständig durchsichtig, a​n den Gitterstegen w​ird das Licht aufgrund d​es Brechungsindexes d​es Materials verzögert. Varianten:

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

Eine Verzögerung um beispielsweise eine halbe Wellenlänge ${\displaystyle \lambda /2}$ entspricht 180° Phasenverschiebung.

Wirkung

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

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

Phasengitter s​ind durchsichtig u​nd deshalb n​icht gut sichtbar. Die Beugung (wie a​n jedem optischem Gitter) k​ann 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 d​iese 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[1].

Auslegung

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

${\displaystyle \Delta h={\frac {\lambda }{2(n-1)}}}$

Haben die "Stege" des Gitters einen um ${\displaystyle \Delta n}$ höheren Brechungsindex als die "Spalten" des Gitters, so beträgt die Höhe des Gitters ${\displaystyle \Delta h=\lambda /(2\Delta n)}$.

Herleitung: Durch das Material ändert sich die Frequenz ${\displaystyle f}$  des Lichts nicht gegenüber dem Vakuum. Wegen der auf ${\displaystyle c_{n}=c_{0}/n}$  reduzierten Phasengeschwindigkeit des Lichts sinkt die Wellenlänge (${\displaystyle \lambda =c/f}$ ) im Material auf ${\displaystyle \lambda _{n}=\lambda /n}$. Damit ergibt sich die Bedingung:

${\displaystyle 1/2={\frac {\Delta h}{\lambda _{n}}}-{\frac {\Delta h}{\lambda }}={\frac {(n-1)\cdot \Delta h}{\lambda }}}$.

Einzelnachweise

1. KIT Institut für Mikrostrukturtechnik (Memento des Originals vom 5. Februar 2012 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., Stichwort "Röntgenoptik", Abschnitt Röntgengitter