Die meisten Menschen haben im Alltag schon einmal Erfahrung mit einem Prisma gemacht: Unter günstigen Bedingungen zaubert ein Glas, das irgendwo im Raum steht, einen Regenbogen an die Wand. Die unterschiedlichen Farben, die im weißen Licht enthalten sind, haben im Glas eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Daher ist das Glas in der Lage die einzelnen Farben zu trennen und in unterschiedliche Richtungen abzulenken.

Prismen zerlegen das Licht ungefähr proportional zur Frequenz des Lichts. Das Spektrum wirkt im Vergleich zur gewohnteren Darstellung als Funktion der Wellenlänge im roten Bereich gestaucht. Prismen werden heute in modernen Spektrometern nicht mehr eingesetzt, da die Aufspaltung des Lichts für die meisten Anwendungen zu gering und zu wenig flexibel ist.

Stattdessen verwendet man optische Gitter zur Aufspaltung des Lichts. Auch das kennen fast alle Menschen aus ihrem Alltag: CDs und DVDs haben ähnlich wie eine Schallplatte feine eingeprägte Rillen. Diese regelmäßige Gitterstruktur aus Gräben bewirken ebenfalls eine Aufspaltung des Lichts, wenn die Gitterstruktur ähnlich groß wie die Wellenlänge des Lichts ist. Da die Wellenlänge des Lichts nur einige hundert Nanometer beträgt, müssen die einzelnen Gitterlinien sehr eng bei einander liegen. Typisch sind 600 bis 2500 Gitterlinien pro Millimeter, was einer Gitterperiode von etwa 1 µm entspricht.

Mit Hilfe einer CD oder DVD kann man auch sehr einfach ein Spektrometer selbst bauen. Man kann das Farbspektrum entweder direkt mit dem bloßen Auge betrachten und sich an den schönen Farben erfreuen oder es mit einer Kamera (z.B. des Smartphones) kombinieren und sogar Messungen durchführen:

• Spektrometer aus einer Kellogg's-Packung und einer CD
• Spektrometer zum Aufsetzen auf ein Smartphone aus einer DVD

Vorteil des optischen Gitters ist, dass das Licht direkt proportional zur Wellenlänge abgelenkt wird und dass man für verschiedene Anwendungszwecke verschiedene Gitter zur Verfügung hat.

Ein Polychromator stellt die einfachste Form eines Gitterspektrometers dar. Das Licht wird durch ein Gitter aufgespalten und alle Wellenlängen gleichzeitig mit einem CCD (oder rauscharmer mit einem CMOS) Sensor aufgenommen.

Einfache Polychromatoren sind ab 700 € erhältlich. Eine Firma die mir in verschiedenen Labors häufig begegnet ist, ist “Ocean Optics”. Da das komplette Spektrum in einem Bild aufgenommen wird, sind sie schnell, haben jedoch nur eine sehr begrenzte Dynamik und stark mit Streulicht zu kämpfen. Für ein schnelles Spektrum oder wenn hohe Qualität unwichtig ist, gute Geräte, aber mit der wirklichen Beurteilung von UV-Lampen ungeeignet.

Es gibt verschiedene Aufbauvarianten. Beim Czerny-Turner-Aufbau fällt das Licht durch einen Eintrittsspalt und wird durch einen gekrümmten Spiegel kollimiert (In der vereinfachten Schuloptik würde man das mit einer Linse tun). Das kollimierte Licht fällt auf das Reflektionsgitter und wird in seine Wellenlängen zerlegt. Anschließend wird das Licht durch einen zweiten gekrümmten Spiegel wieder fokussiert, wobei sich für jede Wellenlänge ein eigener Fokuspunkt bildet, dessen Schärfe durch die Breite des Eintrittsspalts und die Brennweite begrenzt ist.

Ein noch stärkere Vereinfachung des Aufbaus ist der vollständige Verzicht auf Spiegel oder Linsen zur Abbildung. Ein konkaves Gitter kann gleichzeitig die Aufspaltung der Wellenlängen als auch die Abbildung von Einfallspalt auf den Detektor vornehmen.

Einfachmonochromatoren sind ähnlich aufgebaut wie Polychromatoren, jedoch befindet sich vor dem Sensor ein Spalt, das Spektrum wird also scannend für jede Wellenlänge einzeln aufgenommen. Somit kann ein hochwertigerer Detektor verwendet werden.

Werden zwei Einfachmonochromatoren hinter einander betrieben, wobei der Austrittsspalt des ersten den Eintrittspalt des zweiten formt, spricht man von einem Doppelmonochromator. Streulicht wird in einem solchen Aufbau drastisch reduziert und auch der Fehler durch optische Harmonische wird durch die Kombination von zwei Gittern reduziert. Bei solch teueren Spektrometern werden auch die übrigen Komponenten mit mehr Sorgfalt ausgewählt. Als Detektoren werden üblicherweise gekühlte Photomultiplier verwendet.

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