Phasengitter

Phasengitter sind optische Beugungsgitter welche die Phase der durchlaufenden Lichtwelle beeinflussen. Ideale Phasengitter sind vollständig durchsichtig, an den Gitterstegen wird das Licht aufgrund des Brechungsindexes des 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 λ / 2 entspricht 180° Phasenverschiebung.

Wirkung

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

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

Phasengitter sind durchsichtig und deshalb nicht gut sichtbar. Die Beugung (wie an jedem optischem Gitter) kann 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 diese 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 Akustooptischer 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 λ um eine halbe Wellenlänge λ / 2 zu verzögern. Hat das Material des Gitters den Brechungsindex n, so müssen die Stege des Gitters höher sein um

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

Haben die "Stege" des Gitters einen um Δn höheren Brechungsindex als die "Spalten" des Gitters, so beträgt die Höhe des Gitters Δh = λ / (2Δn).

Herleitung: Durch das Material ändert sich die Frequenz f  des Lichts nicht gegenüber dem Vakuum. Wegen der auf c_n = c₀ / n  reduzierten Phasengeschwindigkeit des Lichts sinkt die Wellenlänge (λ = c / f ) im Material auf λ_n = λ / n. Damit ergibt sich die Bedingung:

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

Einzelnachweise

1. ↑ KIT Institut für Mikrostrukturtechnik, Stichwort "Röntgenoptik", Abschnitt Röntgengitter