Beugungsgitter - Diffraction grating

Ein sehr großes reflektierendes Beugungsgitter
Eine Glühbirne, die durch ein transmissives Beugungsgitter betrachtet wird.

In der Optik ist ein Beugungsgitter eine optische Komponente mit einer periodischen Struktur, die Licht in mehrere Strahlen aufspaltet und beugt, die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Die entstehende Färbung ist eine Form der Strukturfärbung . Die Richtungen dieser Strahlen hängen vom Abstand des Gitters und der Wellenlänge des Lichts ab, so dass das Gitter als dispersives Element wirkt . Aus diesem Grund werden Gitter häufig in Monochromatoren und Spektrometern verwendet .

Für praktische Anwendungen Gitter haben in der Regel Grate oder Entscheidungen auf ihrer Oberfläche eher als dunkle Linien. Solche Gitter können entweder durchlässig oder reflektierend sein . Es werden auch Gitter hergestellt, die eher die Phase als die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren, häufig unter Verwendung von Holographie .

Die Prinzipien der Beugungsgitter wurden von James Gregory etwa ein Jahr nach den Prismenexperimenten von Isaac Newton entdeckt , zunächst mit Gegenständen wie Vogelfedern. Das erste künstliche Beugungsgitter wurde um 1785 vom Philadelphia- Erfinder David Rittenhouse hergestellt , der Haare zwischen zwei feingewindeten Schrauben aufreihte. Dies ähnelte dem Drahtbeugungsgitter des bekannten deutschen Physikers Joseph von Fraunhofer im Jahr 1821 . Gitter mit dem geringsten Linienabstand (d) wurden in den 1860er Jahren von Friedrich Adolph Nobert (1806–1881) in Greifswald hergestellt; dann übernahmen die beiden Amerikaner Lewis Morris Rutherfurd (1816–1892) und William B. Rogers (1804–1882) die Führung; und Ende des 19. Jahrhunderts waren die konkaven Gitter von Henry Augustus Rowland (1848–1901) die besten, die es gab.

Diffraction kann „Regenbogen“ Farben erzeugen , wenn sie von einem weit beleuchteten Spektrum (zB kontinuierlich) Lichtquelle. Ein Beispiel sind die funkelnden Effekte der eng beieinander liegenden schmalen Spuren auf optischen Speicherplatten wie CDs oder DVDs . Ähnliche Regenbogeneffekte, die in dünnen Ölschichten (oder Benzin usw.) auf Wasser beobachtet werden, die als Schillern bekannt sind , werden nicht durch ein Gitter verursacht, sondern eher durch eine Dünnfilminterferenz zwischen den eng beabstandeten durchlässigen Schichten. Ein Gitter hat parallele Linien, während eine CD eine Spirale aus eng beabstandeten Datenspuren hat. Beugungsfarben treten auch auf, wenn man eine helle Punktquelle durch eine transluzente, feinmaschige Schirmstoffbespannung betrachtet. Dekorative gemusterte Kunststofffolien auf Basis von reflektierenden Gitterfeldern sind sehr preiswert und gängig.

Theorie der Arbeitsweise

Ein Beugungsgitter, das nur den grünen Teil des Spektrums der fluoreszierenden Beleuchtung eines Raums reflektiert

Die Beziehung zwischen dem Gitterabstand und den Winkeln der einfallenden und gebeugten Lichtstrahlen wird als Gittergleichung bezeichnet. Nach dem Huygens-Fresnel-Prinzip kann jeder Punkt auf der Wellenfront einer sich ausbreitenden Welle als Punktquelle betrachtet werden, und die Wellenfront an jedem nachfolgenden Punkt kann durch Addieren der Beiträge jeder dieser einzelnen Punktquellen ermittelt werden. Gitter können vom "reflektiven" oder "transmissiven" Typ sein, analog zu einem Spiegel bzw. einer Linse. Ein Gitter hat eine 'Mode nullter Ordnung' (wobei die Beugungsordnung m auf Null gesetzt wird), in der es keine Beugung gibt und sich ein Lichtstrahl nach den Gesetzen der Reflexion und Brechung wie bei einem Spiegel verhält oder Objektiv bzw.

Diagramm, das den Gangunterschied zwischen Strahlen zeigt, die von benachbarten Linien des reflektierenden Beugungsgitters gestreut werden

Ein idealisiertes Gitter besteht aus einem Satz von Schlitzen mit einem Abstand d , der breiter als die interessierende Wellenlänge sein muss, um eine Beugung zu bewirken. Unter der Annahme einer ebenen Welle monochromatischen Lichts der Wellenlänge λ bei senkrechtem Einfall auf ein Gitter (senkrecht zum Gitter), wirkt jeder Schlitz im Gitter als Quasi-Punktquelle, von der sich Licht in alle Richtungen ausbreitet (obwohl dies typischerweise auf a . beschränkt ist). Hemisphäre). Nachdem Licht mit dem Gitter wechselwirkt, setzt sich das gebeugte Licht aus der Summe interferierender Wellenkomponenten zusammen, die von jedem Schlitz im Gitter ausgehen; An jedem beliebigen Punkt im Raum, durch den gebeugtes Licht hindurchtreten kann, der normalerweise als Beobachtungspunkt bezeichnet wird, variiert die Weglänge von jedem Schlitz im Gitter zu dem gegebenen Punkt, sodass sich auch die Phase der Welle ändert, die von jedem der Schlitze an diesem Punkt ausgeht . Als Ergebnis erzeugt die Summe der gebeugten Wellen an dem gegebenen Punkt durch additive und destruktive Interferenz Spitzen und Täler in der Lichtintensität . (Natürlich auch irgendwo zwischen diesen beiden Extremfällen möglich.) Wenn der Gangunterschied zwischen dem Licht von benachbarten Spalten zum Beobachtungspunkt gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ist, gilt l ×( λ /2) mit eine ungerade ganze Zahl l , sind die Wellen phasenverschoben und heben sich somit gegenseitig auf, um die (lokal) minimale Intensität zu erzeugen. Ähnlich wird , wenn die Wegdifferenz ein Vielfaches von ist , λ , sind die Wellen in Phase und die (lokal) maximale Intensität auftritt. Für einen senkrecht auf ein Gitter einfallenden Strahl treten die Intensitätsmaxima bei Beugungswinkeln θ m auf , die die Beziehung d sin θ m = mλ erfüllen , wobei θ m der Winkel zwischen dem gebeugten Strahl und dem Normalenvektor des Gitters und d der Abstand von der Mitte eines Schlitzes zur Mitte des benachbarten Schlitzes, und m ist eine ganze Zahl, die den interessierenden Ausbreitungsmodus darstellt, der Beugungsordnung genannt wird.

Vergleich der Spektren eines Beugungsgitters durch Beugung (1) und eines Prismas durch Brechung (2). Längere Wellenlängen (rot) werden stärker gebeugt, aber weniger gebrochen als kürzere Wellenlängen (violett).
Intensität als Heatmap für monochromatisches Licht hinter einem Gitter

Wenn normalerweise eine ebene Lichtwelle auf das Gitter einfällt, hat das gebeugte Licht Maxima bei Beugungswinkeln θ m gegeben durch:

Es kann gezeigt werden, dass, wenn eine ebene Welle unter einem beliebigen Winkel θ i zur Gitternormalen einfällt, die Gittergleichung lautet :

Aufgelöst nach den Beugungswinkelmaxima lautet die Gleichung:

Bitte beachten Sie, dass diese Gleichungen davon ausgehen, dass beide Seiten des Gitters mit dem gleichen Medium (zB Luft) in Kontakt stehen. Das Licht, das direkter Transmission (oder spiegelnder Reflexion im Fall eines Reflexionsgitters) entspricht, wird als nullte Ordnung bezeichnet und mit m = 0 bezeichnet. Die anderen Maxima treten bei Winkeln auf, die durch ganze Zahlen m ungleich null dargestellt werden . Beachten Sie, dass m positiv oder negativ sein kann, was zu gebeugten Ordnungen auf beiden Seiten des Strahls nullter Ordnung führt.

Diese Ableitung der Gittergleichung basiert auf einem idealisierten Gitter. Die Beziehung zwischen den Winkeln der gebeugten Strahlen, dem Gitterabstand und der Wellenlänge des Lichts gilt jedoch für jede regelmäßige Struktur des gleichen Abstands, da die Phasenbeziehung zwischen dem von benachbarten Elementen des Gitters gestreuten Licht gleich bleibt. Die detaillierte Verteilung des gebeugten Lichts hängt von der detaillierten Struktur der Gitterelemente sowie von der Anzahl der Elemente im Gitter ab, ergibt aber immer Maxima in den durch die Gittergleichung vorgegebenen Richtungen.

Es können Gitter hergestellt werden, bei denen verschiedene Eigenschaften des einfallenden Lichts in einem periodischen Muster moduliert werden; diese beinhalten

In all diesen Fällen gilt die Gittergleichung.

Quantenelektrodynamik

Eine spiralförmige Leuchtstofflampe, fotografiert in einem Reflexionsbeugungsgitter, die die verschiedenen von der Lampe erzeugten Spektrallinien zeigt.

Die Quantenelektrodynamik (QED) bietet eine weitere Ableitung der Eigenschaften eines Beugungsgitters in Bezug auf Photonen als Teilchen (auf einer gewissen Ebene). QED lässt sich intuitiv mit der Pfadintegralformulierung der Quantenmechanik beschreiben. Als solches kann es Photonen so modellieren, dass sie potenziell allen Pfaden von einer Quelle zu einem Endpunkt folgen, wobei jeder Pfad eine bestimmte Wahrscheinlichkeitsamplitude hat . Diese Wahrscheinlichkeitsamplituden können als komplexe Zahl oder als äquivalenter Vektor dargestellt werden – oder, wie Richard Feynman sie in seinem Buch über QED einfach nennt, „Pfeile“.

Für die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Ereignis eintritt, summiert man die Wahrscheinlichkeitsamplituden für alle möglichen Arten, auf denen das Ereignis eintreten kann, und nimmt dann das Quadrat der Länge des Ergebnisses. Die Wahrscheinlichkeitsamplitude für ein Photon einer monochromatischen Quelle, zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Endpunkt anzukommen, kann in diesem Fall als ein Pfeil modelliert werden, der sich schnell dreht, bis er ausgewertet wird, wenn das Photon seinen Endpunkt erreicht. Zum Beispiel, für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon von einem Spiegel reflektiert und eine bestimmte Zeit später an einem bestimmten Punkt beobachtet wird, stellt man die Wahrscheinlichkeitsamplitude des Photons ein, die sich beim Verlassen der Quelle dreht, folgt ihm zum Spiegel und dann bis zu seinem Endpunkt, auch für Pfade, die nicht unter gleichen Winkeln vom Spiegel abprallen. Man kann dann die Wahrscheinlichkeitsamplitude am Endpunkt des Photons auswerten; Als nächstes kann man über alle diese Pfeile integrieren (siehe Vektorsumme ) und die Länge des Ergebnisses quadrieren, um die Wahrscheinlichkeit zu erhalten, dass dieses Photon in der entsprechenden Weise vom Spiegel reflektiert wird. Die Zeiten, die diese Pfade benötigen, bestimmen den Winkel des Wahrscheinlichkeitsamplitudenpfeils, da man sagen kann, dass sie sich mit einer konstanten Geschwindigkeit "drehen" (die mit der Frequenz des Photons zusammenhängt).

Die Zeiten der Wege in der Nähe des klassischen Reflexionsortes des Spiegels sind nahezu gleich, die Wahrscheinlichkeitsamplituden zeigen also in nahezu dieselbe Richtung – sie haben also eine beträchtliche Summe. Die Untersuchung der Pfade zu den Rändern des Spiegels zeigt, dass die Zeiten benachbarter Pfade ziemlich unterschiedlich sind, und daher summieren wir Vektoren, die sich schnell aufheben. Es besteht also eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass Licht einem nahezu klassischen Reflexionspfad folgt als einem Pfad weiter außen. Aus diesem Spiegel kann jedoch ein Beugungsgitter hergestellt werden, indem Bereiche nahe dem Rand des Spiegels weggekratzt werden, die normalerweise nahe gelegene Amplituden auslöschen – aber jetzt, da die Photonen nicht von den abgekratzten Teilen reflektiert werden, sind die Wahrscheinlichkeitsamplituden das alles würde zum Beispiel auf fünfundvierzig Grad hindeuten, kann eine beträchtliche Summe haben. Somit lässt dies die richtige Frequenzsumme mit einer größeren Wahrscheinlichkeitsamplitude hervortreten und besitzt als solche eine größere Wahrscheinlichkeit, den geeigneten Endpunkt zu erreichen.

Diese spezielle Beschreibung beinhaltet viele Vereinfachungen: eine Punktquelle, eine "Oberfläche", von der Licht reflektiert werden kann (wodurch die Wechselwirkungen mit Elektronen vernachlässigt werden) und so weiter. Die größte Vereinfachung liegt vielleicht in der Tatsache, dass das „Drehen“ der Wahrscheinlichkeitsamplitudenpfeile eigentlich genauer als ein „Drehen“ der Quelle erklärt wird, da die Wahrscheinlichkeitsamplituden von Photonen nicht „spinnen“, während sie unterwegs sind. Wir erhalten die gleiche Variation der Wahrscheinlichkeitsamplituden, indem wir den Zeitpunkt, zu dem das Photon die Quelle verlassen hat, unbestimmt lassen – und die Zeit des Weges sagt uns nun, wann das Photon die Quelle verlassen hätte und somit der Winkel seines "Pfeils" wäre. Dieses Modell und diese Näherung sind jedoch sinnvoll, um ein Beugungsgitter konzeptionell zu veranschaulichen. Licht einer anderen Frequenz kann auch von demselben Beugungsgitter reflektiert werden, jedoch mit einem anderen Endpunkt.

Gitter als dispersive Elemente

Die Wellenlängenabhängigkeit in der Gittergleichung zeigt, dass das Gitter einen einfallenden polychromatischen Strahl unter verschiedenen Winkeln in seine konstituierenden Wellenlängenkomponenten aufteilt, dh es ist winkeldispersiv . Jede Wellenlänge der Eingangsstrahl - Spektrum ist in eine andere Richtung gesendet wird , eine Erzeugung Regenbogen von Farben unter Weißlichtbeleuchtung. Dies ähnelt optisch der Funktionsweise eines Prismas , obwohl der Mechanismus sehr unterschiedlich ist. Ein Prisma bricht aufgrund ihrer unterschiedlichen Brechungsindizes Wellen unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln, während ein Gitter aufgrund von Interferenz bei jeder Wellenlänge unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln beugt.

Eine Glühbirne einer Taschenlampe , die durch ein durchlässiges Gitter gesehen wird und zwei gebeugte Ordnungen zeigt. Die Ordnung m = 0 entspricht einer direkten Lichtdurchlässigkeit durch das Gitter. In erster positiver Ordnung ( m = +1) werden Farben mit zunehmender Wellenlänge (von Blau nach Rot) mit zunehmendem Winkel gebeugt.

Die gebeugten Strahlen, die aufeinanderfolgenden Ordnungen entsprechen, können sich je nach Spektralgehalt des einfallenden Strahls und der Gitterdichte überlappen. Je höher die spektrale Ordnung, desto größer die Überlappung in die nächste Ordnung.

Ein Argon-Laserstrahl, der aus mehreren Farben (Wellenlängen) besteht, trifft auf ein Silizium-Beugungsspiegelgitter und wird in mehrere Strahlen aufgeteilt, einen für jede Wellenlänge. Die Wellenlängen sind (von links nach rechts) 458 nm, 476 nm, 488 nm, 497 nm, 502 nm und 515 nm.

Die Gittergleichung zeigt, dass die Winkel der gebeugten Ordnungen nur von der Periode der Rillen und nicht von ihrer Form abhängen. Durch Steuern des Querschnittsprofils der Rillen ist es möglich, den größten Teil der gebeugten optischen Energie in einer bestimmten Ordnung für eine gegebene Wellenlänge zu konzentrieren. Üblicherweise wird ein dreieckiges Profil verwendet. Diese Technik wird als Blazing bezeichnet . Der Einfallswinkel und die Wellenlänge, für die die Beugung am effizientesten ist (das Verhältnis der gebeugten optischen Energie zur Einfallsenergie ist am höchsten) werden oft als Blazing-Winkel und Blazing-Wellenlänge bezeichnet. Die Effizienz eines Gitters kann auch von der Polarisation des einfallenden Lichts abhängen . Gitter werden normalerweise durch ihre Rillendichte bezeichnet , die Anzahl der Rillen pro Längeneinheit, normalerweise ausgedrückt in Rillen pro Millimeter (g/mm), auch gleich dem Kehrwert der Rillenperiode. Die Rillenperiode muss in der Größenordnung der interessierenden Wellenlänge liegen ; der von einem Gitter abgedeckte Spektralbereich ist abhängig vom Rillenabstand und ist für linierte und holographische Gitter mit gleicher Gitterkonstante (d. h. Rillendichte oder Rillenperiode) gleich. Die maximale Wellenlänge, die ein Gitter beugen kann, ist gleich der doppelten Gitterperiode, wobei in diesem Fall das einfallende und das gebeugte Licht bei neunzig Grad (90°) zur Gitternormalen liegen. Um eine Frequenzstreuung über eine breitere Frequenz zu erhalten, muss man ein Prisma verwenden . Der optische Bereich, in dem Gitter am häufigsten verwendet werden, entspricht Wellenlängen zwischen 100 nm und 10 µm . In diesem Fall kann die Rillendichte von einigen zehn Rillen pro Millimeter, wie bei Echelle-Gittern , bis zu einigen Tausend Rillen pro Millimeter variieren .

Wenn der Rillenabstand weniger als die halbe Wellenlänge des Lichts beträgt, ist die einzige vorhandene Ordnung die m = 0- Ordnung. Gitter mit solch kleiner Periodizität (bezogen auf die Wellenlänge des einfallenden Lichts) werden Subwellenlängengitter genannt und weisen besondere optische Eigenschaften auf. Auf einem isotropen Material hergestellt, erzeugen die Subwellenlängengitter eine Doppelbrechung , bei der sich das Material so verhält, als ob es doppelbrechend wäre .

Herstellung

Beugungsgitter

SR (Surface Relief) Gitter

SR-Gitter werden nach ihrer Oberflächenstruktur aus Vertiefungen (Flachrelief) und Erhebungen (Hochrelief) benannt. Ursprünglich wurden hochauflösende Gitter von hochwertigen Linealmotoren beherrscht , deren Konstruktion ein großes Unterfangen war. Henry Joseph Grayson entwarf eine Maschine zur Herstellung von Beugungsgittern, die 1899 mit einer von 120.000 Linien pro Zoll (ca. 4.724 Linien pro mm) erfolgreich war. Später erzeugten photolithographische Techniken Gitter über holographische Interferenzmuster. Ein holographisches Gitter weist als Ergebnis eines optischen sinusförmigen Interferenzmusters auf dem Gittermaterial während seiner Herstellung sinusförmige Rillen auf und ist möglicherweise nicht so effizient wie linierte Gitter, wird jedoch in Monochromatoren häufig bevorzugt, da sie weniger Streulicht erzeugen . Eine Kopiertechnik kann hochqualitative Repliken von Mastergittern beider Typen herstellen, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.

Halbleitertechnologie wird heute auch verwendet, um holographisch strukturierte Gitter in robuste Materialien wie Quarzglas zu ätzen. Auf diese Weise wird eine streulichtarme Holographie mit der hohen Effizienz von tief geätzten Transmissionsgittern kombiniert und kann in eine kostengünstige Halbleiterfertigungstechnologie für hohe Stückzahlen integriert werden.

VPH-Gitter (Volume Phase Holography)

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Beugungsgittern verwendet ein lichtempfindliches Gel, das zwischen zwei Substraten eingeschlossen ist. Ein holographisches Interferenzmuster legt das Gel frei, das später entwickelt wird. Diese Gitter, die als Volumenphasenholographie-Beugungsgitter (oder VPH-Beugungsgitter) bezeichnet werden, haben keine physikalischen Rillen, sondern stattdessen eine periodische Modulation des Brechungsindex innerhalb des Gels. Dadurch wird ein Großteil der Oberflächenstreueffekte typischerweise bei anderen Arten von Gittern gesehen. Diese Gitter neigen auch dazu, höhere Wirkungsgrade aufzuweisen und ermöglichen die Aufnahme komplizierter Muster in ein einzelnes Gitter. Ein VPH-Beugungsgitter ist typischerweise ein Transmissionsgitter, durch das einfallendes Licht hindurchtritt und gebeugt wird, aber ein VPH-Reflexionsgitter kann auch durch Kippen der Richtung einer Brechungsindexmodulation in Bezug auf die Gitteroberfläche hergestellt werden. Bei älteren Versionen solcher Gitter war die Umweltempfindlichkeit ein Kompromiss, da das Gel bei niedriger Temperatur und Feuchtigkeit aufbewahrt werden musste. Typischerweise werden die lichtempfindlichen Substanzen zwischen zwei Substraten versiegelt, die sie gegen Feuchtigkeit, thermische und mechanische Belastungen beständig machen. VPH-Beugungsgitter werden durch versehentliche Berührungen nicht zerstört und sind kratzfester als typische Reliefgitter.

Andere Gitter

Eine neue Technologie zum Einfügen von Gittern in integrierte photonische Lichtwellenschaltungen ist die digitale planare Holographie (DPH). DPH-Gitter werden im Computer erzeugt und auf einer oder mehreren Grenzflächen eines optischen Wellenleiterplanar unter Verwendung von Standard-Mikrolithographie- oder Nanoprägeverfahren hergestellt, die mit der Massenproduktion kompatibel sind. Licht breitet sich innerhalb der DPH-Gitter aus, begrenzt durch den Brechungsindexgradienten, was einen längeren Wechselwirkungsweg und eine größere Flexibilität bei der Lichtlenkung bietet.

Beispiele

Die Rillen einer Compact Disc können als Gitter wirken und schillernde Reflexionen erzeugen .

Beugungsgitter werden oft in Monochromatoren , Spektrometern , Lasern , Wellenlängenmultiplexgeräten , optischen Pulskompressionsgeräten und vielen anderen optischen Instrumenten verwendet.

Gewöhnliche gepresste CD- und DVD- Medien sind alltägliche Beispiele für Beugungsgitter und können verwendet werden, um den Effekt zu demonstrieren, indem das Sonnenlicht von ihnen auf eine weiße Wand reflektiert wird. Dies ist ein Nebeneffekt ihrer Herstellung, da eine Oberfläche einer CD viele kleine Vertiefungen im Kunststoff aufweist, die spiralförmig angeordnet sind; Auf dieser Oberfläche ist eine dünne Metallschicht aufgetragen, um die Gruben besser sichtbar zu machen. Die Struktur einer DVD ist optisch ähnlich, obwohl sie mehr als eine Oberfläche mit Vertiefungen aufweisen kann und alle Oberflächen mit Vertiefungen innerhalb der Disc liegen.

Aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber dem Brechungsindex der Medien kann das Beugungsgitter als Sensor für Fluideigenschaften verwendet werden.

Bei einer standardmäßigen gepressten Vinyl-Schallplatte wird bei Betrachtung aus einem niedrigen Winkel senkrecht zu den Rillen ein ähnlicher, aber weniger definierter Effekt wie bei einer CD/DVD beobachtet. Dies ist auf den Betrachtungswinkel (weniger als der kritische Reflexionswinkel des schwarzen Vinyls) und den Weg des reflektierten Lichts zurückzuführen, das durch die Rillen verändert wird, wodurch ein Regenbogenreliefmuster zurückbleibt.

Beugungsgitter werden auch verwendet, um das Frontlicht von E-Readern wie dem Nook Simple Touch mit GlowLight gleichmäßig zu verteilen .

Gitter aus elektronischen Bauteilen

Beugung eines Scheinwerfers über einem Mobiltelefon

Einige alltägliche elektronische Komponenten enthalten feine und regelmäßige Muster und dienen daher leicht als Beugungsgitter. So können beispielsweise CCD-Sensoren von ausrangierten Mobiltelefonen und Kameras aus dem Gerät entfernt werden. Mit einem Laserpointer kann die Beugung die räumliche Struktur der CCD-Sensoren aufdecken. Dies ist auch für LCD- oder LED-Displays von Smartphones möglich. Da solche Displays normalerweise nur durch ein transparentes Gehäuse geschützt sind, können Experimente durchgeführt werden, ohne die Telefone zu beschädigen. Wenn keine genauen Messungen beabsichtigt sind, kann ein Scheinwerfer die Beugungsmuster aufdecken.

Naturroste

Ein Biofilm auf der Oberfläche eines Aquariums erzeugt Beugungsgittereffekte, wenn die Bakterien alle gleich groß und beabstandet sind. Solche Phänomene sind ein Beispiel für Quetelet-Ringe .

Gestreifter Muskel ist das am häufigsten vorkommende natürliche Beugungsgitter und dies hat Physiologen bei der Bestimmung der Struktur eines solchen Muskels geholfen. Abgesehen davon kann man sich die chemische Struktur von Kristallen als Beugungsgitter für andere Arten elektromagnetischer Strahlung als sichtbares Licht vorstellen, dies ist die Grundlage für Techniken wie die Röntgenkristallographie .

Am häufigsten mit Beugungsgittern verwechselt werden die schillernden Farben von Pfauenfedern , Perlmutt und Schmetterlingsflügeln . Schillern bei Vögeln, Fischen und Insekten wird oft eher durch Dünnfilminterferenzen als durch ein Beugungsgitter verursacht. Beugung erzeugt das gesamte Farbspektrum, wenn sich der Betrachtungswinkel ändert, während Dünnschichtinterferenz normalerweise einen viel engeren Bereich erzeugt. Auch die Oberflächen von Blumen können eine Beugung erzeugen, jedoch sind die Zellstrukturen bei Pflanzen meist zu unregelmäßig, um die für ein Beugungsgitter notwendige feine Spaltgeometrie zu erzeugen. Das Schillersignal von Blüten ist daher nur sehr lokal wahrnehmbar und somit für Mensch und blütenbesuchende Insekten nicht sichtbar. Natürliche Gitter treten jedoch bei einigen wirbellosen Tieren auf, wie den Pfauenspinnen , den Antennen von Samengarnelen und wurden sogar in Burgess-Schieferfossilien entdeckt .

Beugungsgittereffekte werden manchmal in der Meteorologie beobachtet . Beugungskoronas sind bunte Ringe, die eine Lichtquelle wie die Sonne umgeben. Diese werden normalerweise viel näher an der Lichtquelle beobachtet als Halos und werden durch sehr feine Partikel wie Wassertropfen, Eiskristalle oder Rauchpartikel an einem diesigen Himmel verursacht. Wenn die Partikel fast alle gleich groß sind, beugen sie das einfallende Licht unter ganz bestimmten Winkeln. Der genaue Winkel hängt von der Größe der Partikel ab. Beugungskoronas werden im Nebel häufig um Lichtquellen wie Kerzenflammen oder Straßenlaternen beobachtet. Wolkenirisieren wird durch Beugung verursacht, die entlang koronaler Ringe auftritt, wenn die Teilchen in den Wolken alle eine einheitliche Größe haben.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links