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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
LaserinterferometrieSeminar: Wechselwirkung intensiver Laser- und Ionenstrahlen mit
Materie
Marco Möller
29.05.2008
1 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
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
2 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
Übersicht
1 EinleitungDoppelspalt
2 Zweistrahlinterferometer
3 Mehrstrahl Interferenz
3 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
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
4 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
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
5 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
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
6 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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
7 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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
8 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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
9 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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
14 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
Wollaston-Interferometer
Referenz und Messstrahlidentisch durch räumlicheAufteilung
Messobjekt darf Strahl nichtfüllen
Vorteile
KoherenzlängeunproblematischHohe Zeitauösung
aus: Dissertation Gabriel Schaumann,
Darmstadt 2007
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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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
16 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
Übersicht
1 Einleitung
2 Zweistrahlinterferometer
3 Mehrstrahl InterferenzGitterFabry-Pérot-Interferometer
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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
Fragen?
blag.xkcd.com/2008/02/15/the-laser-elevator/
21 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
Einleitung Zweistrahlinterferometer Mehrstrahl Interferenz
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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