optisk gitter

Fargespillet i en CD- eller DVD-plate skyldes den regelmessige mikrostrukturen i rillene i platen. Dette er den samme effekten som utnyttes i et optisk gitter.
Lisens: CC BY 2.0

Gitter. Strekgitter eller transmisjonsgitter. En innfallende parallellbunt deles opp i en uavbøyet bunt av 0. orden, samt i avbøyde, innbyrdes symmetriske parallellbunter av voksende orden. For avbøyningsvinkelen δm gjelder: sin δm = m λ/d. Her er λ bølgelengden, d er gitterkonstanten (strekavstanden) og m er ordenstallet, et helt tall 0, ±1, ±2, ±3 og så videre.

Av /Store norske leksikon ※.

Gitter. Echelettegitter. Dette er et refleksjonsgitter; gitterstrekene har en slik profil at refleksjonsvinkelen for det innfallende lys faller sammen med 1. ordens avbøyning for vedkommende bølgelengde.

Av /Store norske leksikon ※.

Gitter. Michelsons trappegitter. Dette er et transmisjonsgitter. 1. Innfallende lys. 2. Ikke avbøyet lys. 3. Avbøyet lys. Gangforskjellen mellom nabostråler er meget stor i forhold til lysets bølgelengde.

Av /Store norske leksikon ※.

Gitter er innenfor optikk et system av tettliggende parallelle linjer eller profilerte furer med like stor innbyrdes avstand, opp til 1800 per mm. Gitterstrukturen kan ligge i en plan glassplate eller i et plant eller konkavt speil, og kalles henholdsvis transmisjons- og refleksjonsgitter. Optiske gittere anvendes ved studiet av lysets bøyning (diffraksjon) og til bestemmelse av lysets bølgelengde- og energifordeling (gitterspektroskopi).

Faktaboks

etymologi:

Det fargespillet man kan se på visse overflater (perlemor, insektskall, fuglefjær, CD-plater) skyldes lysets bøyning (diffraksjon) i overflatens kompliserte, men regelmessige mikrostruktur. Optiske gitter utnytter denne virkningen.

Lysets bøyning i optisk gitter

Når parallelt, monokromatisk lys faller vinkelrett inn på et optisk gitter, vil det ved gjennomgangen eller refleksjonen bli spredt på en slik måte at intensiteten av det spredte lyset er maksimal i en direkte strålebunt av 0. orden og i parvise strålebunter av 1. orden, 2. orden og så videre. Disse ligger symmetrisk på begge sider av den direkte strålebunten, og danner bestemte vinkler θ med denne (se figuren), slik at sin θ = mλ/d. Avbøyningsvinklene er bestemt av lysets bølgelengde λ og av avstanden d mellom linjene i gitteret (gitterkonstanten); m er et heltall fra 1 og oppover til den verdien som gjør sin θ > 1. Man kaller lys som svarer til m = 1 for 1. diffraksjonsorden, m = 2 for 2. diffraksjonsorden osv. Ved å måle avbøyningsvinkelen fra et gitter med kjent gitterkonstant kan man derfor bestemme bølgelengden for det avbøyde lyset.

For polykromatisk lys (for eksempel hvitt lys) som består av forskjellige bølgelengder, vil disse avbøyes forskjellig.

Gitterets evne til å skille de forskjellige bølgelengdene fra hverandre, kalles dets oppløsningsevne. I sin alminnelighet vokser oppløsningsevnen med antallet linjer/furer i gitteret, og med ordenstallet.

I motsetning til det som er tilfellet ved lysets brytning i prismer, vokser avbøyningsvinkelen med strålingens bølgelengde. Den langbølgede (røde) delen av det elektromagnetiske spekteret avbøyes altså mer enn den kortbølgede (blå).

Ulike gitterkonstruksjoner

Fraunhofers gitter

Det første optiske gitteret, som ble konstruert av den tyske optikeren Joseph Fraunhofer i 1821, var et transmisjonsgitter bestående av en rekke tynne tråder oppspent parallelt i en ramme. Senere gikk han over til å risse parallelle streker i et belegg av sot eller metall på en glassplate.

For å kunne utnytte gitterets oppløsningsevne, måtte Fraunhofer kombinere lysets bøyning med en optisk avbildning. Det innfallende lyset, som stammet fra et lysende punkt, ble parallellisert ved hjelp av en samlelinse foran gitteret, og de utgående strålebuntene ble så samlet i billedpunkter ved hjelp av en samlelinse bak gitteret.

Fraunhofer brukte sine første gittere for å undersøke diffraksjon av lys. Han tok dem også i bruk for å undersøke lysets spektrale sammensetning, og å bestemme bølgelengde. Gitter har senere vært det mest brukte instrumentet for disse formålene. Ved hjelp av sine gittere kunne Fraunhofer, som den første, bestemme visse bølgelengder i sollysets spektrum.

Rowlands videreutvikling

Fraunhofers gitter ble videreutviklet av Henry Augustus Rowland i 1882. Ved hjelp av en diamantspiss ført av en delemaskin oppnådde han en linjetetthet på ca. 1000 per millimeter. Han konstruerte også et konkavgitter der linjene ble gravert inn i et hulspeil. Et slikt gitter kombinerer bøyning og avbildning, og man trenger derfor ikke de store linsene for å gjøre strålen fra lyskilden parallell og senere samle den, linser som både er kostbare og fører med seg linsefeil og energitap.

Senere forbedringer er gjort av Lord Blythwood, som ved å forme diamantspissen som ble brukt til rissingen, oppnådde å eliminere både 0. diffraksjonsorden og høyere ordener til den ene siden, og derved fikk mye klarere bilder.

Echelettegitter

Ved de nevnte gittertypene blir den største delen av den innfallende lysenergien samlet i 0. ordens strålebunt. Denne er ikke avbøyd, og derfor heller ikke oppløst i et bølgelengdespektrum. Echelettegitteret er et refleksjonsgitter (R. W. Wood) som er gravert med diamantspisser som gir gitterstrekene en slik tverrsnittsprofil at i visse bølgelengdeområder blir den største delen av den innfallende lysenergien samlet i 1. ordens strålebunt.

Trappegitter

Et transmisjonsgitter med høy bølgelengdeoppløsning i et begrenset bølgelengdeområde er Albert Abraham Michelsons trappegitter. Det består av en stabel av 30–40 planparallelle glassplater (5–10 mm tykke) med en avtrapping på 1–2 mm. Hvert trappetrinn virker som en spalteåpning for det innfallende lys, og lysenergien blir samlet i en strålebunt av meget høy orden (for eksempel med ordenstall 10 000), hvilket innebærer en høy oppløsning.

Rutegitter

Rutegitteret har mindre praktisk betydning enn linjegitteret, men det danner en teoretisk overgang til romgitterne, som fremkommerav atomenes krystallstruktur. Mens vanlig lys kan undersøkes spektroskopisk både ved hjelp av prismer og gittere, vil man i spekterets ytterkanter og for infrarød og ultrafiolett stråling være henvist bare til gittere fordi absorpsjonen blir for stor og dispersjonen for liten i glassprismer. Ettersom gitterkonstanten ikke bør være mye større enn bølgelengden til den strålingen man skal undersøke, vil linjegitter være uegnet når man kommer over i området for røntgenstråling. For så små bølgelengder vil krystallstrukturen av atomer fungere som et optisk gitter.

Dimensjonering og produksjon

Så lenge man arbeider med lavere ordens spektra (og et bredt bølgelengdeområde), bør gitterkonstanten ikke være mye større enn bølgelengden for den innfallende strålingen.

Graveringen av en gitterstruktur er en tidkrevende prosess som krever overordentlig stabile og nøyaktige instrumenter. Masseproduksjon av optiske gittere er derfor basert på avstøpning (replika) eller fotografisk kontaktkopiering av graverte gittere.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg