Wellenoptik (6. Klasse AHS)

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1 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 1/10 Übungsdatum: Abgabetermin: Physikalischen Schulversuchspraktikum Wellenoptik (6. Klasse AHS) Mittendorfer Stephan Matr. Nr

2 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 2/10 INHALT... 3 Lernziele... 4 Interferenz... 5 Beugung... 6 Polarisation... 8 ANHANG... 9

3 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 3/10 I N H A L T

4 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 4/10 Lernziele Wie kommt Interferenz zustande Was ist Beugung am Gitter Wie kann ich Beugung am Gitter dazu verwenden Wellenlängen zu bestimmen Was ist Laserlicht

5 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 5/10 Interferenz Ölschicht auf Wasser Man benötigt: Wasser Dünnflüssiges Öl Teller Durchführung: Man gibt ein paar Tropfen des Öls auf einen mit Wasser gefüllten Teller. Wenn das Öl dünnflüssig genug ist wird sich der Ölfilm langsam vergrößern. Mit der Zeit wird der Film immer dünner und man kann die ersten Interferenzerscheinungen wahrnehmen. Dieselben Erscheinungen sind auch dafür verantwortlich dass eine CD (Compact Disc) auf der beschreibbaren Seiten in allen möglich Farben schimmert. Im Bild wird angenommen, dass an jeder Grenzfäche 10% des auffallenden Lichtes reflektiert werden. Die parallelen Strahlenbündel l 1 und l 3 haben eine fast gleiche Wellenamplitude und interferieren auf dem weit entfernten Schirm. Der Strahl l 2 erfährt bei der Reflexion am optisch dichteren Medium einen Phasensprung π (Reflexion am festen Ende); der am optisch dünneren Medium reflektierte Strahl l3 erfährt keinen Phasensprung (Reflexion am freien Ende).

6 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 6/10 Beugung Beugung am Gitter Man benötigt: Laser Optische Stativschiene Gitter Schirm Durchführung: Laser und ein Liniengitter mit gewünschter Gitterkonstante werden auf eine optische Stativschiene geschraubt und so ausgerichtet, dass der Laser durch das Gitter auf den Schirm fällt. Wir können beobachten, dass es neben dem Hauptmaximum mehrere Nebenmaxima gibt. Die Beugungsmaxima liegen umso weiter auseinander, je kleiner der Spaltabstand (Gitterkonstante) ist. Die Beugungsmaxima sind umso intensiver und so schärfer, je größer die Zahl der beugenden Spaltöffnungen ist. Die Gitterkonstante d darf nicht zu klein gemacht werden. Erreicht sie nämlich die Größe der Wellenlänge, so wir bereits das Beugungsmaximum 1. Ordnung um 90 gebeugt. Die höheren Beugungsmaxima kommen nicht mehr zustande. Ist die Gitterkonstante kleiner als die Wellenlänge, so kann man nur noch das Beugungsmaximum 0. Ordnung beobachten.

7 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 7/10 Beugung Bestimmung der Wellenlänge des verwendeten Lasers mithilfe der Beugung am Gitter Man benötigt: Laser Optische Stativschiene Gitter Schirm Durchführung: Der Versuchsaufbau gleicht dem des Versuches Beugung am Gitter. Da nun die Gleichung n λ sin α n = bekannt ist, wird das Laserlicht d unbekannter Wellenlange λ durch ein Gitter bekannter Gitterkonstante d auf einen Schirm projiziert. Man sucht sich ein Nebenmaximum n-ter Ordnung aus und misst den Abstand zum Beugungsmaximum 0. Ordnung. Mithilfe der Beziehung D n n λ sin α n = kann der Winkel α ausgerechnet werden. Wenn man weiters sin α n = zu l d d sinα n = λ umformt kann die Wellenlänge ausgerechnet werden. In unserem Fall wird die n Wellenlänge zwischen 600 und 700 nm liegen, da wir mit einem HeNe Laser gearbeitet haben.

8 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 8/10 Polarisation & Beugung Was ist eigentlich Laserlicht Man benötigt: Laser normale Lichtquelle (Glühlampe mit Reflektor) Optische Stativschiene Polarisationsfilter Gitter Schirm Durchführung: Uns interessiert die Beschaffenheit des Laserlichts. Was unterscheidet eigentlich Laserlicht von Licht einer gewöhnlichen Glühlampe. Um das experimentell festzustellen werden wir beide Lichtquellen a) durch einen Polarisator b) durch ein Prisma schicken. a) Bei Glühlampenlicht, das einen Polarisator durchdringt beobachten wir, dass der Lichtstrahl zwar geschwächt, aber nicht ausgelöscht wird egal wie man den Polarisator dreht. d.h. es lässt sich polarisieren was folglich bedeutet dass es ursprünglich nicht polarisiert war. Wenn wir dasselbe mit einem Laser machen, können wir für den Polarisator eine Einstellung finden, in der dieser kein Laserlicht mehr durchlässt. Folglich muss das Laserlicht polarisiert sein. b) Nochmals nehmen wir beide Lichtquellen zur Hand und schicken diese durch ein Beugungsgitter. Das Licht der Glühbirne wird dabei ein alle Farben aufgespalten, da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark gebeugt werden. Derselbe Versuch mit einem Laser ergibt nur scharfe Punkte als Beugungsmaxima am Schirm, was bedeutet, dass Laserlicht nur in einem ganz kleinen Wellenlängenbereich Licht emittiert.

9 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 9/10 A N H A N G

10 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 10/10 Holographie (griechisch holos: ganz; graphein: schreiben), eine Methode zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder von Gegenständen. Basis für dieses optische Verfahren ist die Erzeugung von kohärentem (zusammenhängendem) Licht mit ausreichender Intensität dies ist nur mit Hilfe eines Lasers möglich. Wenn man einen Gegenstand mit kohärentem Licht bestrahlt, dann entsteht ein Wellenfeld, das sich von dem Feld des Laserlichtes unterscheidet. Wenn die Lichtwellen auf den Gegenstand treffen, können verschiedene optische Phänomene wie z. B. Reflexion, Beugung oder Interferenz ablaufen. In dem auf diese Weise veränderten Wellenfeld steckt dann sozusagen die optische Information, und zwar in Form von Amplituden- und Phasenverteilung. Gerade diese benötigt man, um einen dreidimensionalen Gegenstand vollständig abzubilden. Die Aufnahmen werden als Hologramme (griechisch holos: ganz; gramma: Buchstabe, Nachricht). bezeichnet. Im Gegensatz zur Holographie enthalten die Bilder der Photographie nur die Amplitudenverteilung. Die theoretischen Prinzipien der Holographie wurden von dem in Ungarn geborenen britischen Physiker Dennis Gabor 1947 entwickelt. Für seine Erfindung erhielt Gabor 1971 den Nobelpreis für Physik. Die Produktion von Hologrammen mit Hilfe des Lasers begann Anfang der sechziger Jahre. Ende der achtziger Jahre wurde die Herstellung von Echtfarb- Hologrammen möglich. In diesem Zeitraum war man bereits in der Lage, auch Hologramme im Spektralbereich von Mikrowellen bis hin zu Röntgenstrahlen zu produzieren. Ultraschall-Hologramme werden mit Hilfe von Schallwellen erstellt. PRODUKTION Ein Hologramm unterscheidet sich vor allem darin von herkömmlichen Photographien, dass es nicht nur die Amplituden- oder Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes, sondern auch die Phasenverteilung aufzeichnet. Stark vereinfacht ausgedrückt, kann der Film erkennen, ob die Wellen seine lichtempfindliche Oberfläche während einer maximalen oder einer minimalen Wellenamplitude erreichen. Die Fähigkeit, Wellen unterschiedlicher Phasen zu differenzieren, wird durch einen so genannten Referenzstrahl erzielt, der mit den reflektierten Wellen interferiert. Bei der einen Herstellungsmethode wird das Objekt durch einen kohärenten Lichtstrahl beleuchtet ein Strahl, bei dem alle Wellen die gleiche Phase aufweisen und der mit Hilfe eines Lasers erzeugt wird. So bestimmt die Form des Objekts die Form der Wellenfronten und damit die Phase, bei der das reflektierte Licht jeden Punkt der Photoplatte erreicht. Gleichzeitig wird ein Teil desselben Laserstrahles von einem Spiegel oder Prisma reflektiert und direkt auf die Photoplatte gelenkt. Dieser Strahl wird als Referenzstrahl bezeichnet. Die Wellenfronten des Referenzstrahles sind nicht von dem Objekt reflektiert worden, bleiben daher parallel in einer Ebene und liefern mit den durch das Objekt reflektierten Licht-Wellenfronten ein Interferenzmuster. Wenn beispielsweise das Objekt aus einem Punkt besteht, sind die Wellenfronten des reflektierten Strahles kugelförmig. Das auf dem Film entstehende Interferenzmuster setzt sich dann aus konzentrischen Kreisen zusammen, deren Abstände zueinander sich bei wachsendem Radius verkleinern. Bei einem komplizierter gestalteten Objekt besteht es lediglich aus einem verworrenen Muster von hellen und dunklen Strukturen, das keine offensichtliche Beziehung zu dem ursprünglichen Objekt aufweist. Wird jedoch das Hologramm in kohärentem Licht betrachtet, ist das aufgezeichnete Objekt wieder sichtbar. Beim Blick auf das Hologramm

11 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenoptik 11/10 aus verschiedenen Winkeln wird das Objekt ebenfalls aus verschiedenen Blickwinkeln gesehen. Der dreidimensionale Effekt wird dadurch erreicht, dass das Hologramm den Abstand der Wellenfronten genau rekonstruiert, die durch das ursprüngliche Objekt erzeugt wurden. Wie das vor sich geht, kann wiederum mit dem Beispiel des Hologramms von einem Punkt verdeutlicht werden. Kohärentes Licht, das auf die konzentrischen Kreise des Hologramms trifft, wird in einem Beugungsgitter gebrochen. Der Beugungswinkel des Strahles wächst mit dem Abstand vom Mittelpunkt der konzentrischen Kreise und rekonstruiert so die kugelförmigen Wellenfronten. Der Betrachter sieht den Punkt an der gleichen relativen Stelle, an der sich der ursprüngliche Punkt zum Zeitpunkt der Erzeugung des Hologramms befand. Die Wellenfronten von komplizierteren Objekten werden auf dieselbe Art nachgebildet. Die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes wird durch den Grad der Schwärzung der Interferenzmuster auf dem Film aufgezeichnet. ANWENDUNGEN In einem gewissen Umfang kann die Holographie in der optischen Mikroskopie, speziell für Studien von lebenden Organismen, eingesetzt werden. Die erfolgreichste Anwendung der Holographie ist jedoch die Interferometrie. Wenn zwei Hologramme desselben Objekts auf derselben Platte für ein Interferometer aufgenommen werden, interferieren die beiden holographischen Bilder bei der Rekonstruktion. Wenn das Objekt sich zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten verformt hat, ergeben sich Phasenunterschiede zwischen den beiden Bildern, die ein Interferenzmuster hervorrufen und dadurch die Deformation klar zeigen. Weil auf diese Weise Wellenfrontdifferenzen von einem Bruchteil der Wellenlänge des Lichtes sichtbar werden, ist diese Methode außerordentlich empfindlich und daher gut geeignet für die Untersuchung von Materialeigenschaften. Eine andere wichtige Anwendungsmöglichkeit der Holographie besteht in der Speicherung digitaler Daten, die als helle und dunkle Punkte in holographischen Bildern aufgezeichnet werden. Ein Hologramm kann eine große Anzahl von Seiten enthalten, die in unterschiedlichen Winkeln zur Platte aufgenommen werden, und ermöglicht so die Speicherung einer höchst umfangreichen Datenmenge. Mit der Beleuchtung des Hologramms durch einen Laser aus verschiedenen Winkeln können die Seiten nacheinander ausgelesen werden. 1 1 "Holographie."Microsoft Encarta Enzyklopädie Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.