Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

LaserinterferometrieSeminar: Wechselwirkung intensiver Laser- und Ionenstrahlen mit

Materie

Marco Möller

29.05.2008

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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

Inhaltsverzeichnis

1 EinleitungDoppelspalt

2 ZweistrahlinterferometerMichelson-InterferometerGEO600 / LISATwyman-Green-InterferometerLaser-Doppler-VibrometerLaser-Doppler-AnemometerSagnac-InterferometerRing LaserJamin-InterferometerMach-Zehnder-InterferometerWollaston-Interferometer

3 Mehrstrahl InterferenzGitterFabry-Pérot-Interferometer

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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

Übersicht

1 EinleitungDoppelspalt

2 Zweistrahlinterferometer

3 Mehrstrahl Interferenz

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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

Doppelspalt

Maxima:

∆s = db − cd = nλ

Minima:

∆s = db − cd =

(n +

12

)λ

Streifenmuster könntegenutzt werden fürAnwendungen

Verbesserung: gehen diestreifen schärfer?

Idee: Trennung derinterferierenden Teilstrahlen→ Anwendungen

en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment

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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

Übersicht

1 Einleitung

2 ZweistrahlinterferometerMichelson-InterferometerGEO600 / LISATwyman-Green-InterferometerLaser-Doppler-VibrometerLaser-Doppler-AnemometerSagnac-InterferometerRing LaserJamin-InterferometerMach-Zehnder-InterferometerWollaston-Interferometer

3 Mehrstrahl Interferenz

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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz

Michelson-Interferometer

1 Grundidee: (Laser)lichtstrahlaufteilen

wie?

2 Teilstrahlen unterschiedlichenAusbreitungsbedingungenaussetzten

was für welche?

3 Teilstrahlen vergleichenmittels Interferenz

4 ⇒ Aussagen über dieAusbreitungsbedingungentreen

Teilarme werden zweimaldurchlaufen!

www.scienceclarified.com/He-In/Interferometry.html

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GEO600 / LISA

Gravitationswellennachweisen

Michelson-Interferometer

Geo600 (seit 2006 beiHannover)

2x600m Schenkel

LISA (ab ca. 2019 amL1-Punkt)

3 Satelliten mit 5 · 109mAbstand10−11m Sensitivität inLängenänderungPosition überfreischwebende Masse (=Spiegel) im Innerenkalibriert

geo600.aei.mpg.de/general-information/was-sind-gravitationswellen/spektrum/

lisa.jpl.nasa.gov/gallery/images/LISA_cover.jpg

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Twyman-Green-Interferometer

Ähnlich MichelsonInterferometer

Punktlichtquelle wird mitsehr genauer Linse zuparallelem Strahl aufgeweitet

M1 ist drehbar: Dadurchkann exaktes Streifenmustererzeugt werden

Anwendung:Qualitätsprüfung von Linsenund Spiegeln

electron9.phys.utk.edu/optics421/modules/m5/Interferometers.htm

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Laser-Doppler-Vibrometer

Berührungslose Messung von mechanischen Schwingungen

Laserlicht wir frequenzmoduliert bei Reexion an einer schwingendenOberäche fob

Ohne Tricks: Bewegungsrichtung der Schwingung mehrdeutig

Verschiebe Frequenz in einem Arm um fB → Interferenzmusterwandert mit fBfob moduliert nun fB ≪ flaser → messbar

www.polytec.com/usa/158_942.asp

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Laser-Doppler-Anemometer

Messen von Strömungsgeschwindigkeiten

Projiziere wanderndes Interferenzmuster in Strömung(Laser-Doppler-Vibrometer)

Streulicht an Tracer-Partikeln ist moduliert mitStrömungsgeschwindigkeit

www.tut.fi/units/me/ener/laitteistot/EFD/LDA.html

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Sagnac-Interferometer

2 Entgegengesetzte zirkulierende Strahlen

Relative Streifenverschiebung ∆ = 4AΩλc

A eingeschlossene FlächeΩ Rotationsgeschwindigkeit

Michelson-Gale-Versuch (1926)

1.9 km Vakuumrohr (17 mbar)Lichtquelle: Kohle-LichtbogenErdrotation auf genau gemessen:∆ = 0, 230± 0, 005 (echt 0,237)Würde für ruhenden Äther oder fürRelativitätstheorie sprechen

Anwendung: Messen von Rotationen →Laserkreisel

Kompakt: hunderte Meter Glasfaseraufrollen

en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect

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Ring Laser

Laserfrequenz

blau verschoben mitRotationsrichtungrot entgegen Rot.

Überlagerung ergibt Schwebung:Frequenz proportional zurRotationsgeschwindigkeit Ω

Wesentlich gröÿerer Eekt alsbeim Sagnac-Interferometer

Problem: Lock-In / beideFrequenzen sind bei kleinem Ωgleich

Lösung: Apparatur konstantvibrieren / rotieren

en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect

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Jamin-Interferometer

Aufteilung von Licht mittelsdicker Glasplatte vor Spiegel.

Vorteil: Einfacher Aufbau

Nachteil: Geringer räumlicherAbstand der Teilstrahlen

de.wikipedia.org/wiki/Jamin-Interferometer

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Mach-Zehnder-Interferometer

Nachfolger vonJamin-Interferometer → Groÿeräumliche Trennung der Teilstrahlen

Anwendung

Phasenverschiebungsmessung /Brechungsindexmessung z.B. vonGasen / PlasmenGezielte Modulation derLichtamplitude durchPhasenmodulation in einem Arm

Frage: Warum kann man hiermitkeine Michelson-Morley Experimentmachen?

Nachteil: Beide Lichtwege müssen∆L < Koherenzlänge haben

de.wikipedia.org/wiki/Mach-Zehnder-Interferometer

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Wollaston-Interferometer

Referenz und Messstrahlidentisch durch räumlicheAufteilung

Messobjekt darf Strahl nichtfüllen

Vorteile

KoherenzlängeunproblematischHohe Zeitauösung

aus: Dissertation Gabriel Schaumann,

Darmstadt 2007

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Zeitauösung

0,5 ns breiten Laserpuls Zirkulierenlassen - Umlaufdauer 1,5 ns

Bei jeder Zirkulation Winkel leichtändern

Nach Durchlauf durch Objekt dieWinkel an Discokugel räumlichtrennen

Jeweils ein Wollaston-Interferometer

aus: Dissertation Gabriel

Schaumann, Darmstadt 2007

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Anwendung: Analyse von Plasmen Dichten

1 Phasenverschiebung ausInterferogramm auslesen

2 Annahme das Targetrotationssymetrisch:

RadialeBrechungsindexverteilungüber Abelinversionbestimmbar

3 Brechungsindex ist mitElektronendichte verknüpft

aus: Dissertation Gabriel Schaumann,

Darmstadt 2007

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Übersicht

1 Einleitung

2 Zweistrahlinterferometer

3 Mehrstrahl InterferenzGitterFabry-Pérot-Interferometer

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Gitter

Intensität

I (u) =sin2 (uNd/2)

N2 sin2 (ud/2)

Rayleigh-Kriterium: Wellenlängenunterscheidbar, wenn m.te Maxima miteinem benachbarten Minimazusammenfällt

Auösungsvermögen:

λ

δλ=

uNd

2π= mN

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Fabry-Pérot-Interferometer

hohe Reexivität ⇒ viele auslaufenden Teilstrahlen mit leichtabfallender Intensität (≈ Beugungsgitter)

Mit nicht variablen d auch Etalon genannt

Anwendung: Wie Beugungsgitter

Problem: Spiegel sollten mehr als ≤ 1

100λ parallel und eben sein

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/phyopt/fabry.html

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Fragen?

blag.xkcd.com/2008/02/15/the-laser-elevator/

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Referenzen

Lipson. Optik. Springer, 1997

Polytec - Vibrometry Basics:http://www.polytec.com/usa/158_942.asp

http://de.wikipedia.org/wiki/Interferometer + Verweise 1.terOrdnung + jeweilige englische Übersetzungen

GEO600: http://geo600.aei.mpg.de

LISA: http://lisa.nasa.gov/index.html

Interferometertypen:http://electron9.phys.utk.edu/optics421/modules/m5/Interferometers.htm

Laser Doppler Aneomymeter:http://www.tut./units/me/ener/laitteistot/EFD/LDA.html

G. Schaumann. Dissertation 2007.http://www.gsi.de/forschung/pp/pub/thesis/phd_GSchaumann.pdf

Albert Abraham Michelson, Henry G. Gale: The Eect of the Earth'sRotation on the Velocity of Light, in: The Astrophysical Journal 61(1925), S. 140-145

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