Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- mess:spektrometer [2021/01/25 14:12] – [Literatur] sarina
+++ mess:spektrometer [2021/01/26 11:32] (current) – [Literatur] sarina
@@ Line 1: / Line 1: @@
 ====== Spektrometer ======
+[{{:mess:img_3702.jpg?300 |Ocean Optics USB 2000+ Spektrometer}}]
+Spektrometer sind die Königsklasse der Messgeräte für Lampen, die Privatpersonen gerade noch nutzen können. Sie messen die Intensität des Lichts für sehr kleine Wellenlängenintervalle, so dass die volle Information über die spektrale Verteilung des Lichts vorhanden ist. Sie haben jedoch auch ihre Tücken und müssen richtig bedient werden.
+{{clear}}
+===== Funktionsweise =====
+[{{ :uv:prisma.png?250|Ablenkung der unterschiedlichen Farben des Lichts durch ein Prisma}}]
 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.
-{{ :uv:prisma.png?250 }}
-{{formelfreak>start}}Die Winkel um den das Licht durch das Prisma abgelenkt wird, hängt von der Form und vom Material ab. Für ein gleichschenkliges Dreieck mit Winkel $\epsilon$ ist der Ablenkwinkel $\delta$ als Funktion der $n(\lambda)$) und des Einfallswinkels $\alpha$:
+Die Winkel um den das Licht durch das Prisma abgelenkt wird, hängt von der Form und vom Material ab. Für ein gleichschenkliges Dreieck mit Winkel $\epsilon$ ist der Ablenkwinkel $\delta$ als Funktion der $n(\lambda)$) und des Einfallswinkels $\alpha$: $\delta = \alpha - \epsilon +  \sin^{-1}\left[\sin\left(\epsilon\sqrt{n(\lambda)^2-\sin^2(\alpha)}\right)-\cos(\epsilon)\sin(\alpha)\right]$
-\[
-\delta = \alpha - \epsilon +  \sin^{-1}\left[\sin\left(\epsilon\sqrt{n(\lambda)^2-\sin^2(\alpha)}\right)-\cos(\epsilon)\sin(\alpha)\right]
-\]{{formelfreak>end}}
+[{{ :uv:gitter.png?250|Ablenkung der unterschiedlichen Farben des Lichts durch ein optisches Gitter}}]
 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.
@@ Line 19: / Line 23: @@
 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.
-{{formelfreak>start}}Gemäß den Gesetzen der Optik (Maxwellgleichungen) ändert das Licht nachdem es durch ein Gitter entweder in der Intensität oder Phase moduliert wurde, seine Richtung. Die Winkel relativ zur Ausbreitungsrichtung ohne Gitter sind:
+Gemäß den Gesetzen der Optik (Maxwellgleichungen) ändert das Licht nachdem es durch ein Gitter entweder in der Intensität oder Phase moduliert wurde, seine Richtung. Die Winkel relativ zur Ausbreitungsrichtung ohne Gitter sind: $\sin(\alpha) = N\cdot{}\lambda{} / p$ mit N: Ordnung, N=0,1,2,3... ; λ: Wellenlänge ;  p: Gitterperiode.
-$sin(\alpha) = N\cdot{}\lambda{} / p$  (N: Ordnung, N=0,1,2,3... ; λ: Wellenlänge ;  p: Gitterperiode)
+Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmendem N ab. Da die Strahlen in der Nullten (N=0) Ordnung nicht getrennt sind, wird die erste (N=1) Ordnung zur Messung verwendet. Ein Nachteil des Gitters besteht darin, dass die erste Ordnung einer Wellenlänge λ immer mit der zweiten Ordnung der halben Wellenlänge (λ/2) und der dritten Ordnung des dritten Teils der Wellenlänge (λ/3) zusammenfällt: $1\cdot{}\lambda = 2\cdot \lambda/2= 3\cdot \lambda/3$. Die erste Ordnung des Lichts bei 800 nm wird überlagert mit Licht der zweiten Ordnung bei 400 nm und der dritten Ordnung bei 267 nm. Durch spezielle sogenannte geblazte Gitter können aber alle geraden Ordnungen unterdrückt werden.
-Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmendem N ab. Da die Strahlen in der Nullten (N=0) Ordnung nicht getrennt sind, wird die erste (N=1) Ordnung zur Messung verwendet. Ein Nachteil des Gitters besteht darin, dass die erste Ordnung einer Wellenlänge λ immer mit der zweiten Ordnung der halben Wellenlänge (λ/2) und der dritten Ordnung des dritten Teils der Wellenlänge (λ/3) zusammenfällt: $1\cdot{}\lambda = 2\cdot \lambda/2= 3\cdot \lambda/3$. Die erste Ordnung des Lichts bei 800 nm wird überlagert mit Licht der zweiten Ordnung bei 400 nm und der dritten Ordnung bei 267 nm. Durch spezielle sogenannte geblazte Gitter können aber alle geraden Ordnungen unterdrückt werden.{{formelfreak>end}}
-{{ :uv:gitter.png?250 }}
 ===== Polychromator =====
@@ Line 54: / Line 54: @@
 Bei einem Spektrometer LR1 Lasertack waren die Spektren auffällig: Viele Lampen schienen nicht-terrestrische UV-Strahlung abzustrahlen. Im Vergleich einer Leuchtstofflampen stellte sich heraus, dass die Quecksilberemissionslinien nicht bei den erwarteten Wellenlängen (297 nm, 313 nm, 331 nm 365 nm, 405 nm, 408 nm, 436 nm, 546 nm und 578 nm) lagen. Im diesem Fall war das gemessene Spektrum 6 nm weit zu kleineren Wellenlängen verschoben.
-[{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration1.png?600 | Spektrum einer UVB-Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen dort, wo man sie erwartet. Das Spektrometer ist gut wellenlängenkalibriert. }}]{{clear}}
+[{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration0.png?600 | Spektrum einer UVB-Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen bei 6 nm kürzeren Wellenlängen als man erwartet. Das Spektrometer ist schlecht wellenlängenkalibriert. Es zeigt die Wellenlänge 6 nm kleiner als, als sie tatsächlich ist. }}]{{clear}}
 Diese Verschiebung muss nicht über den ganzen Wellenlängenbereich konstant sein. Es kann sein, dass das Spektrum im grünen um 6 nm verschoben ist, im UVB aber um 10 nm. Bei einem schlechten Spektrometer wird das Ergebnis noch dazu anders aussehen, je nachdem wie warm das Spektrometer ist. Es kann also sein, dass die Wellenlänge bei der Messung der Leuchtstoffröhre um 6 nm zu klein gemessen wird, bei der anschließenden Messung einer LED aber plötzich 2 nm zu groß.
-[{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration0.png?600 |Spektrum einer Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen bei 6 nm kürzeren Wellenlängen als man erwartet. Das Spektrometer ist schlecht wellenlängenkalibriert. Es zeigt die Wellenlänge 6 nm kleiner als, als sie tatsächlich ist}}]{{clear}}
+[{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration1.png?600 |Spektrum einer Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen dort, wo man sie erwartet. Das Spektrometer ist gut wellenlängenkalibriert.}}]{{clear}}
 Bei einem Spektrometer, das nicht auf die Wellenlänge kalibriert ist, sind alle Berechnungen aus dem Spektrum (effektive Bestrahlungsstärken, Farbtemperatur, Farbwiedergabe) falsch. Besonders aufpassen muss man auch,  wenn man beurteilen will, ob eine Lampe „nicht-terrestrische“ UVB-Strahlung abgibt. Diese Strahlung unterhalb von 290 nm ist sehr aggressiv und kommt im natürlichen Sonnenlicht nicht vor. Mit einem schlecht kalibrierten Spektrometer kann man leicht denken, eine Lampe wäre gefährlich oder ungefährlich obwohl es sich nur um einen Messfehler handelt.
@@ Line 73: / Line 73: @@
 [{{:photometrie:fl_high.png?400|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit hoher Wellenlängenauflösung.}}] [{{:photometrie:fl_low.png?400|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit geringer Wellenlängenauflösung.}}]
+{{clear}}
 [{{:photometrie:hql_high.png?400|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit hoher Wellenlängenauflösung.}}] [{{:photometrie:hql_low.png?400|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit geringer Wellenlängenauflösung.}}]
@@ Line 119: / Line 120: @@
 Problematisch ist die Kosinuskorrektur wenn gleichzeitig Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung aus unterschiedlichen Richtungen auf den Spektrometereingang fällt. Das ist der Fall, wen das Lichtspektrum direkt im Terrarium mit mehreren Lampen gemessen wird. Es ist aber auch der Fall, wenn das Sonnenspektrum gemessen wird: Hier kommt gelbliches Licht von der Sonne und bläuliches Licht vom gesamten Himmel. Ganz besonders stark ist der Unterschied bei der UVB-Strahlung, die zu mehr als der Hälfte nicht direkt von der Sonne sondern vom Himmel kommt. Ein UV-Spektrum des Sonnenlichts aufzunehmen ist für ein Spektrometer daher eine ganz besondere Herausforderung. Um die Zuverlässigkeit von UV-Messstationen abzuschätzen wurde im Juli 1991 der erste Europäische Vergleich von Spektrometern in Panorama, Griechenland, durchgeführt {{wkx>677}}. Sechs Spektrometer von wissenschaftlichen Instituten((Institut für Medizinische Physik, Österreich; Universitat für Bodenkultur, Österreich; Institut d'Aeronomie Spatiale de Belgique, Belgien; University of Reading, Großbritannien; University of Thessaloniki, Griechenland; University of Tromso, Norwegen)) nahmen gleichzeitig Sonnenspektren auf. Im Bereich unter 400nm wichen die einzelnen Spektrometer teilweise um 20% voneinander ab.
 ===== Literatur =====