MICHELSON-INTERFEROMETER

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1 Grundpraktikum der Physik Versuch Nr. 19 MICHELSON-INTERFEROMETER Versuchsziel: Quantitative Erfassung von Interferenzerscheinungen verschieden kohärenter Quellen. 1

2 1. Einführung Interferenz im Rahmen der Optik hat eine entscheidene Bedeutung, da sie die Grundlage für den Nachweis der Wellennatur des Lichts bildet. Unter Interferenz versteht man zunächst einfach die Überlagerung mehrerer Wellen. Das Auftreten von Interferenzerscheinungen ist nun offensichtlich abhängig von Rahmenbedingungen, im Alltag begegnet man Diesen im Zusammenhang mit Licht nämlich eher selten. Damit Interferenz für uns beobachtbar wird, sollte die verwendete Quelle geeignet kohärent sein, wobei in diesem Zusammenhang eine ganze Reihe von Begriffen auftauchen, etwa Kohärenzlänge oder Kohärenzzeit. Im Versuch wird mit verschieden kohärenten Licht-Quellen gearbeitet werden, unter anderem um aus den auftretenden Interferenzerscheinungen auf Eigenschaften der Quellen zurückzuschließen. 2. Stichpunkte zur Versuchsvorbereitung Zur Versuchsdurchführung sollten folgende Punkte vorbereitet werden: a) Wellengleichung (etwa [1] Kap. 7 oder [2] ) Herleitung, Reelle und komplexe Lösungen b) Superpositionsprinzip (Gültigkeit, Anwendung) c) Intensität elektromagnetischer Wellen (z.b. [1] Kap. 10, [3] Kap. 2 und 5) Definition, Zusammenhang mit Poynting Vektor d) Kohärenz (etwa [1] Kap. 10, [3] Kap. 11) Zeitliche und räumliche Kohärenz (Unterschiede, Anwendungsbeispiele) Quantitative Formulierungen des Kohärenzbegriffs (z.b. mittels Phasenbeziehung in [1] Kap. 10, oder mittels Korrelationsfunktion in [3] Kap. 11) Kohärenzzeit (Zusammenhang mit spektraler Bandbreite), Kohärenzlänge e) Interferenz (z.b. [1] Kap. 10, [2] Kap. 3 oder [3] Kap. 2 und 11), dabei Ursache, Beispiel an Überlagerung ebener Wellen gleicher Ausbreitungsrichtung Interferenzordnungen f) Funktionsweise des Michelson-Interferometers, sowie zwei weiterer Interferometer; ebenfalls [1] Kap. 10 oder [2] Kap. 3 g) Funktionsweise von HeNe-Laser (z.b. [2] Kap. 2 und Kap. 8) und Dampflampen (z.b. [2] Kap. 5) h) Mögliche Auswerteformeln, Herleitungen überlegen 2

3 3. Versuch Abbildung 1: schematischer Aufbau des zu verwendenden Michelson-Interferometers a) Quecksilberdampflampe (λ = 546.1nm) Zunächst soll der Spiegel mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Schrittmotor bewegt werden und eine feste Anzahl an Interferenzringen (etwa 200) gezählt werden und die jeweilige Differenz der Positionen der Mikrometerschraube notiert werden. Die Messung wird drei Mal durchgeführt. b) Natriumdampflampe Bei dieser Quelle werden die Messungen zuerst analog zu a. Hg-Dampflampe durchgeführt. Anschließend sollen?von Hand? (ohne Schrittmotor) Positionen herausgesucht werden, an welchen das Interferenzmuster verschwindet. Es sollen je fünf aufeinanderfolgende Positionen, an welchen das Interferenzmuster verschwindet, notiert werden. c) Wolframbandlampe Diese Messung wird zweimal durchgeführt 3

4 Durch Nullstellung des verschiebbaren Spiegels und anschließendem Vorschub von Hand durch die Mikrometerschraube, soll die Stellung gefunden werden, in der der Gangunterschied der beiden optischen Wege im Interferometer verschwindet. Diese Position wird notiert. Es wird im Strahlengang mit festem Spiegel ein Objektträger eingebracht und erneut die Stellung gesucht, bei dem der Gangunterschied der optischen Wege verschwindet. Auch diese Position wird notiert. 4. Zubehör a) Grundplatte mit a. Spiegel, verschiebbar per Mikrometerschraube b. Spiegel, justierbar c. Strahlteilerplatte mit Ausgleichsplatte d. Beobachtungsrohr b) Wolfram-Lampe c) Quecksilberdampflampe d) Natriumdampflampe e) Netzteil für Dampflampen f) Netzteil für Wolfram-Lampe g) Engpassfilter für? = 564,1 nm h) Lochblende i) Schrittmotor mit zwei Schrauben und passendem Inbusschlüssel j) Objektträger 4

5 Literatur [1] W. Demtröder, Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik, Springer Verlag, Berlin (2005). [2] L. Bergmann, C. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik Bd.3: Optik, Walter de Gruyter Verlag, Berlin (2004). [3] B. Saleh, M. Teich, Fundamentals of Photonics 2nd ed, Wiley, Weinheim (2007) 5