Echellegitter

Typisches Aussehen eines Échelle-Spektrums, hier von Sonnenlicht

Échellegitter sind spezielle Beugungsgitter, die große Beugungseffizienzen in hohen Beugungsordnungen besitzen. Typischerweise nutzt man Blazegitter mit hohen Blaze-Winkeln von ca. 60–75°. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beugungsgittern haben Échellegitter relativ wenig Furchen, für sichtbares Licht ca. 20–100 je Millimeter.

Begriffsherkunft

Das Wort stammt aus dem Französischen: échelle = (Sprossen-)Leiter, Stiege. Es gibt zwei Erklärungen für den Namen:

• Das Gitter selbst ähnelt einer Stiege, und
• die einzelnen Zeilen eines Échelle-Spektrogramms sind parallel wie die Sprossen einer Leiter.

Der Échelle-Spektrograph

Échelle-Spektrometer-Prinzip: Das erste Standardgitter ist nur für eine Ordnung optimiert (niedrige Ordnung, die nicht überlappt), wobei das Échelle-Gitter auch für einen Bereich optimiert ist (Blaze), der aber mehrere höhere Ordnungen enthält. Beide sind orthogonal montiert, so dass die unterschiedlichen Ordnungen getrennt werden und nur die optimierten Bereiche auf den Detektor S treffen. Dabei kommen gleiche Wellenlängen auch in unterschiedlichen Ordnungen vor.

Nebenstehende Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Échelle-Spektrographen.

Das Licht trifft von unten auf einen Spalt mit nachgeschaltetem optischen Échellegitter G1. Danach fällt das Dispersionsspektrum auf ein konventionelles Gitter G2; der blaue und rote Pfeil deuten die Lage des Beugungsspektrums an. Das Échellegitter wird in hohen Beugungs-Ordnungen betrieben, die zum großen Teil aufeinander fallen; die Abbildung zeigt beispielhaft zwei Ordnungen O1 und O2. Tatsächlich mischen sich die Farben; würde man an dieser Stelle einen Schirm einfügen, so sähe man einen weißen Spektralfaden und nicht die Spektralfarben.

Das Gitter G2 ist rechtwinklig zum Échellegitter G1 orientiert und separiert die übereinander liegenden Beugungsordnungen, die das Échellegitter erzeugt hat. Die räumliche Aufspaltung durch G1 setzt sich also in G2 fort: statt eines kontinuierlichen Spektrums, das sich von oben (rote Linie) nach unten (blaue Linie) über den gesamten Schirm S ausbreitet, erscheint ein Spektralband, das durch die Breite von G2 begrenzt wird. Es markieren:

• der linke blaue Pfeil auf S den kurzwelligen Rand der Ordnung O1
• der rechte blaue Pfeil auf S den kurzwelligen Rand der Ordnung O2
• der linke rote Pfeil auf S den langwelligen Rand der Ordnung O1
• der rechte rote Pfeil auf S den langwelligen Rand der Ordnung O2.

Ein Échellespektrum besteht aus nahezu parallel verlaufenden Beugungsbändern. Mit zunehmender Ordnung werden die Beugungsspektren gestaucht, was zu einer Verkippung der Bänder auf dem Schirm führt. Die Zeichnung überhöht den Effekt. Wählt man zur Separation statt eines Beugungsgitters G2 ein Prisma mit nichtkonstanter Dispersion, so verlaufen die Bänder auf dem Schirm nicht linear, sondern gekrümmt.

Anwendungsgebiete

Échellegitter werden in der Astronomie gerne für die Aufnahme von Sternspektren mit hoher Auflösung benutzt, weil ein hochauflösendes Spektrum mit einem sehr großen Wellenlängenbereich auf einmal erfasst werden kann.

Im Gegensatz dazu sind herkömmliche hochauflösende Beugungsgitter für einen relativ schmalen Bereich optimiert; außerdem wären sehr lange CCD-Sensoren oder mehrere nebeneinander angeordnete CCDs nötig, um das komplette Spektrum erster (oder zweiter) Ordnung zu erfassen. Beim Échelle-Spektrographen dagegen lässt sich das Spektrum mit einem vergleichsweise kleinen quadratischen CCD aufnehmen.

Échellespektrometer erreichen bei kompakter Bauweise gute spektrale Auflösungsvermögen. Verwendet werden Kombinationen zweier (Beugungs-)Gitter, häufiger jedoch eines Gitters und eines Prismas; das (erste) Gitter ist jeweils ein Échellegitter:

• Bei sequentiellen Monochromatoren wird ein Prisma zur Vorauswahl des Wellenlängenbereiches verwendet.
• Bei Polychromatoren werden die verschiedenen Beugungsordnungen mit einem zweiten Gitter oder einem Prisma zweidimensional in die Fläche projiziert. Als Empfänger werden kommerzielle Photoplatten, Sekundärelektronenvervielfacher hinter Spaltmasken oder Halbleiter-Flächendetektoren eingesetzt.

Échellespektrometer werden häufig in der Analytischen Chemie zur quantitativen und qualitativen Bestimmung von Elementen eingesetzt, speziell in der Optischen ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-OES) und der Gaschromatographie (siehe Echelle-Plasma-Emissions-Detektor). Die gute spektrale Auflösung im UV-Bereich ist in dieser Kombination besonders effektiv zur Auftrennung der linienreichen ICP-Spektren.

Literatur

• Thomas Eversberg, Klaus Vollmann: Spectroscopic Instrumentation - Fundamentals and Guidelines for Astronomers. Springer, Heidelberg 2014, ISBN 3-662-44534-4

Siehe auch

• Atomspektroskopie
• Virtually Imaged Phased Array (VIPA), hat ähnliche optische Eigenschaften wie ein Échellegitter, wird aber in Transmission betrieben

Weblinks

• Institut für Astronomie und Astrophysik, Uni Tübingen: Das Echelle-Spektrometer