Interferenzspektralapparate im Vergleich

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1 Interferenzspektralapparate im Vergleich Vortrag zum Proseminar SS 2009 ( ) Alexander Drabent

2 Gliederung I. Grundlagen & Definitionen 1. Spektrometer / Spektroskop 2. Auflösungsvermögen Kriterium nach Rayleigh 3. Dispersionsgebiet / freier Spektralbereich II. Interferenzspektralapparate 1. Glasplattenspektroskope (Übersicht) 2. Gitterspektralapparate a) Einfaches Beugungsgitter b) Rowlandsches Konkavgitter c) Blaze-Spiegelflächengitter d) Echelle-Gitter e) Michelsonsches Stufengitter (Phasengitter) III. Übersicht / Zusammenfassung IV. Literatur-, Quellen- und Abbildungsverzeichnis Vergleich

3 I. Grundlagen & Definitionen

4 1. Spektrometer / Spektroskop Spektralapparate sind Geräte zur optischen Zerlegung von Licht in seine spektralen Bestandteile (Spektrum) Spektroskop Ausschließlich visuelle Untersuchung Spektrometer Umleitung auf Empfänger (Photoplatte oder CCD) Möglichkeit der Ausmessung Grundlagen & Definitionen Vergleich 4

5 2. Auflösungsvermögen Kriterium nach Rayleigh Mathematische Formulierung: A : λ = δλ δλ Rayleigh Kriterium: Der Abstand zweier Spektrallinien muss mindestens so groß sein, dass das Maximum des Spaltbeugungsbildes einer Wellenlänge mit dem Minimum des Spaltbeugungsbildes einer anderen Wellenlänge zusammenfällt. - kleinste noch auflösbare Wellenlängendifferenz bei der Wellenlänge λ Abb. 1: Rayleigh - Kriterium Grundlagen & Definitionen Vergleich 5

6 3. Dispersionsgebiet / freier Spektralbereich Δλ Beschreibung des größten gleichzeitig untersuchbaren Wellenlängenbereichs Mögliche formale Bedingung: ( '. ) ( ' =, λ = λ+ δλ = + 1, λ = λ) x m n x m n x - Ort des Beugungsbildes als Funktion der Ordnung und der Wellenlänge mit n m ' λ Grundlagen & Definitionen Vergleich 6

7 Auflösungsvermögen Dispersionsgebiet Einfache Gittergleichung (senkrechter Einfall): mλ = d sinα λ 1 m( λ+ δλ) m + = d N d Intensitätsminimum m-ter Ordnung Intensitätsmaximum m-ter Ordnung nächster Wellenlänge A = mn N Anzahl der interferierenden Teilstrahlen m Ordnung der Interferenz d Gitterkonstante m λ+δ λ = m+ 1 λ ( ) ( ) Δ λ = λ m Grundlagen & Definitionen Vergleich 7

8 II. Interferenzspektralapparate

9 1. Glasplattenspektroskope (Übersicht) λ = 500nm Fabry Perot Etalon N = 2d m = λ F Finesse: F Plattenabstand: π 1 Lummer Gehrcke Platte: R R = Reflektivität: R 95% F = 59 d = m mm A 510 Δ λ nm 2 a n 1 N = 2d m = 2 2d n 1 λ Plattenlänge: Brechzahl: n = 1, 52 m a = 200mm Plattendicke: d = 10mm A 510 Δ λ Vergleich nm

10 II. Interferenzspektralapparate 2. Gitterspektralapparate

11 a) Einfaches Beugungsgitter Gitterspektralapparat Vergleich 11

12 b) Rowlandsches Konkavgitter Henry August Rowland (1888) Reflexionsgitter auf sphärischer Fläche Verzicht auf optisches Abbildungssystem Gitterspektralapparat Vergleich 12

13 Einfaches Beugungsgitter Rowlandsches Konkavgitter Anzahl der Gitterstriche: N = B d Breite des Gitters: B = 5cm Gitterkonstante: d = 1, 3μm Beugungsordnung: m = 1 4 A 410 Δ λ 500nm Gitterspektralapparat Vergleich 13

14 c) Blaze-Spiegelflächengitter Blazewinkel: α 1 mλ arcsin m Θ= + sin α 2 2 d Gitterspektralapparat Vergleich 14

15 d) Echelle-Gitter Θ 65 + senkrecht zu einem Blazegitter stehendes Gitter Gitterspektralapparat Vergleich 15

16 Blaze-Spiegelflächengitter Echelle-Gitter Θ 65 Gitterkonstante: d = 4,8 Beugungsordnung: μm m =10 5 A 110 Δ λ 50nm Echelle-Gitter: Zweidimensional angeordnetes Spektrum Wellenlänge Beugungsordnung Gitterspektralapparat Vergleich 16

17 e) Michelsonsches Stufengitter (Phasengitter) A. A. Michelson (1898) Geringe Intensität bei großen Beobachtungswinkeln Gitterspektralapparat Vergleich 17

18 e) Michelsonsches Stufengitter (Phasengitter) Stufenanzahl: Beugungsordnung: m = ( 1) d n λ N = 35 Stufendicke: Brechzahl: m d =10mm n = 1, 57 A 410 Δ λ nm Gitterspektralapparat Vergleich 18

19 III. Übersicht / λ = 500nm Zusammenfassung Fabry Perot Etalon Lummer Gehrcke Platte Einfaches Beugungsgitter Rowlandsches Konkavgitter Blaze Spiegelflächengitter Echelle Gitter Michelsonsches Stufengitter Auflösungsvermögen Dispersionsgebiet Besonderheiten A A Δ λ = Δ λ = nm nm A Δ λ 500nm A Δλ 50nm Δλ A Δλ 410 nm Nur für bestimmte Wellenlängen geeignet Keine schwierige Justierung nötig Verzicht auf optisches Abbildungssystem (Linse) Intensitätsmaximierung in höheren Ordnungen Blazegitter + Trennung der einzelnen Ordnungen Geringe Intensität bei großen Beobachtungswinkeln (Transmissionsverluste) Vergleich 19

20 IV. Literatur-, Quellen und Abbildungsverzeichnis Pohl - Optik und Atomphysik, Springer-Verlag 1954, 9. Auflage Grimsehl Lehrbuch der Physik, Band 3, Optik, BSB B.G.Teubner Verlagsgesellschaft 1982, 17. Auflage Bergmann, Schäfer Lehrbuch der Experimentalphysik: Wellen- und Teilchenoptik, Walter de Gruyter 2004, 10. Auflage Kohlrausch Lehrbuch der praktischen Physik, Band 1, Unsöld, Baschek Der neue Kosmos, Springer-Verlag 1999, 7. Auflage Versuchsanleitung Stufengitter / Hyperfeinstruktur zum Fortgeschrittenenpraktikum, FSU Jena (Februar 1999) Abbildungen: Abb. 1: Meiers Lexikon online ( ) df ( ) ( ) Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik, Springer Verlag 2006, 4. Auflage Vergleich 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!