Beugung und Laserspeckles

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1 Fakultät für Maschinenbau Institut für Lichttechnik und Technische Optik Fachgebiet Technische Optik Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles Gliederung Seite 1. Versuchsziel Versuchsaufgaben Versuchsvorbereitung Versuchsdurchführung und -auswertung Geräte und Zubehör Literatur... 6 Ric /

2 1. Versuchsziel Experimente zur Beugung und deren Anwendung. Kennenlernen der Laserspeckles als eine spezielle Beugungserscheinung. Experimente, Unterscheidung und Anwendung der Laserspeckles. Darüber hinaus Erkenntnisse zur Laserbündelgeometrie und Laserabbildung. 2. Versuchsaufgaben 2.1 Realisierung der Fraunhofer schen Beugung an definierten Strukturen (z.b. an Loch, Spalt, Gitter, Kratzer) und Interpretation der Ergebnisse. 2.2 Erzeugung und Erklärung von Laserspeckles, und Anwendung der Laserspeckles zur Demonstration von Fehlsichtigkeit. 3. Versuchsvorbereitung 3.1 Interpretieren Sie den Zusammenhangs zwischen Taillenradius w 0 und Divergenz ( Wellenlänge) für Gaußbündel [1, 2, 6]! (1) 3.2 Einarbeitung in die (Fraunhofer sche) Beugung und das Babinet sche Prinzip (Beugung an komplementären Strukturen ) [4, 5]!. 3.3 Wie entstehen Laserspeckles, und wie sind sie klassifiziert [1, 2, 6]? 3.4 Wie können Laserspeckles verhindert bzw. unterdrückt werden? 3.5 Was sind die Gemeinsamkeit und der grundsätzliche Unterschied zur konventionellen paraxialen bzw. kollinearen optischen Abbildung? Was unterscheidet grundsätzlich die ideale Abbildung einer Laserdiode von der anderer Laser? (2) (3) (4) (5) Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 1 / 6 -

3 Zur Vereinfachung werden Gaußbündel angenommen mit w, w a 0, a 0, R, R Taillenradien, Taillenlagen, Divergenzen und konfokalen Brennweiten (Rayleigh-Längen bzw. Nahfeldparametern). Interpretieren Sie Formel (4) für die beiden Extremfälle a. R 0 0 und b. R 0! 4. Versuchsdurchführung und -auswertung 4.1 Fraunhofer sche Beugung an verschiedenen Objekten Die Beugung an verschiedenen Objekten wird mit dem He-Ne-Laser durchgeführt ( Bild 1a.), damit wird praktisch mit einem Parallelbündel (Fraunhofer sche Beugung) beleuchtet. Bild 1 Geometrie der Versuchsaufbauten für a. Beugung und b. Speckles <beug_01.wpg> Die Objekte (Öffnungen verschiedener Form bzw. Transparenz oder Phase) befinden sich in den Objektrevolvern I - III. Der Abstand Laseröffnung - Objektrevolver ist auf l mm einzustellen. Um hinreichend große Beugungsbilder zu realisieren, wird auf eine zusätzliche Abbildung des Fraunhofer schen Beugungsbildes (in die bildseitige Brennebene) verzichtet. Die Beugungsbilder werden auf einem Projektionsschirm in einem Abstand vom Objektrevolver von l mm ausgewertet. Laserbündel und Beugungsobjekte sind auf Fluchtung zu justieren. Beugungsobjekte am Objektrevolver I Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 2 / 6 -

4 Objekt I/1 : Objekt I/2 : Objekt I/3 : Objekt I/4 : Objekt I/5 : Objekt I/6 : Loch (kreisförmig) Rechteck Spalt Draht Liniengitter Mattscheibe Beugungsobjekte am Objektrevolver II Objekt II/1 - II/3 : Drähte Objekt II/4 - II/6 : Spalte Beugungsobjekte am Objektrevolver III Objekt III/5 : Kratzer auf Glasscheibe Die Beugungsfiguren der Objekte I/1 - I/5 und II/1 - II/6 werden visuell beurteilt, protokolliert und qualitativ mit den theoretischen Intensitätsverläufen verglichen. Die Gitterkonstante des Gitters (Objekt I/5) und der Durchmesser des Drahtes (Objekt I/4) sind abzuschätzen. Die Glasscheibe mit Kratzern (Objekt III/5) ist lateral zu bewegen, die typischen Beugungsfiguren des Kratzers sind zu interpretieren! 4.2 Laserspeckles Laserspeckles sind als Ergebnis von Beugung an statistischen Phasenobjekten ( rauhe Oberflächen, z.b. Mattscheibe oder Projektionsschirm) zu erklären. Grundsätzlich sind subjektive und objektive Speckles zu unterscheiden. Bild 2 veranschaulicht Laserspeckles für den Fall einer rauhen Fläche bei Auflicht ( in Reflexion ). Die Speckleexperimente werden in diesem Praktikumsversuch bei Durchlicht ( in Transmission Mattscheibe, Objekt I/6) durchgeführt. Zwischen dem (kleinsten) Durchmesser der objektiven Speckles Ø Speckle, numerischer Apertur NA = sin(u) und Wellenlänge gilt näherungsweise folgender Zusammenhang. (6) mit (7) Ø Laser 1 mm ist der Laserbündeldurchmesser an der rauhen Fläche (Mattscheibe), und l 2 ist der Abstand Mattscheibe - Projektionsschirm ( Bild 1a.). Für das Erzeugen der objektiven Speckles ( Bild 2a.) wird zuerst das Bündel des He-Ne- Lasers direkt auf eine Mattscheibe (Objekt I/6) projiziert. Der Abstand Laseröffnung - Matt- Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 3 / 6 -

5 scheibe ist praktisch beliebig, sollte aber wieder auf l mm eingestellt werden. Auch der Abstand Mattscheibe - Projektionsschirm sollte weiterhin auf l mm eingestellt werden. Die (hellen) Speckles werden ausgemessen und mit Formel (6) verglichen. Bild 2 a. Objektive und b. subjektive Laserspeckles für den Fall einer rauhen reflektierenden Fläche <speck_y.wpg> Zur Variation der numerischen Apertur NA ( Formeln (6), (7) und Bilder 1a., 2a.) wird eine zusätzliche Fokussierung mit einer Sammeloptik eingeführt (Achromat f 20 mm). Je nach Entfernung des Fokus von der Mattscheibe wird der wirksame Bündeldurchmesser auf der Mattscheibe Ø Laser größer bzw. kleiner, und damit auch nach Formel (7) die numerische Apertur größer bzw. kleiner. Damit müssen sich nach den Formel (6), (7) auch die Speckledurchmesser Ø verändern ( Bild 3), was zu überprüfen ist. Speckle Die visuellen Ergebnisse sind zu protokollieren und mit den theoretischen Werten zu vergleichen. Wie könnten objektive Laserspeckles vermieden werden? Für die Erzeugung von subjektiven Speckles ( Bild 2b.) wird einfach ein aufgeweiteter Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 4 / 6 -

6 Laserfleck ohne Mattscheibe auf den (rauhen) Projektionsschirm projiziert (Durchmesser ca. 50 mm). Die Aufweitung wird im einfachsten Fall durch die Sammeloptik (Achromat f 20 mm) im divergenten Strahlenverlauf zwischen Optik und Projektionsschirm (Abstand zwischen Linse und Projektionsschirm ca mm) erreicht. Beim Abbilden (z.b. Sehen oder Fotografieren) wird der homogene Laserfleck von subjektiven Speckles überlagert. Typisch für diese subjektiven Speckles ist, daß sie sich bei lateraler Bewegung des Kopfes bewegen. Bild 3 Laserspeckles von a. nach c. mit Verkleinerung der Apertur <speck_1.wpg> Beobachten Sie die subjektiven Speckles direkt mit bloßem Auge. Die Schnelligkeit und der Richtungssinn der Bewegung der subjektiven Speckles bei lateraler Bewegung des Kopfes hängt von der Fokussierfähigkeit des Auges auf den Projektionssschirm ab. Bei Kurzsichtigkeit erfolgt die Bewegung der subjektiven Speckles entgegen der lateralen Bewegung des Kopfes, bei Über- bzw. Weitsichtigkeit erfolgt die Bewegung der subjektiven Speckles mit der lateralen Bewegung des Kopfes. Je größer die Kurz- oder die Über- bzw. Weitsichtigkeit ist desto schneller erscheint die Bewegung der Speckles. Überprüfen Sie diesen Effekt durch Simulation von Kurz- und Über- bzw. Weitsichtigkeit durch Abnehmen einer Brille bzw. durch die beiden Brillengläser (F 2 dpt, -2 dpt). Versuchen Sie die Spezifik der Bewegung der Speckles bei lateraler Bewegung des Kopfes zu erklären (Hinweis: Kulissenwirkung von Speckles und Objektraum)! Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 5 / 6 -

7 5. Geräte und Zubehör He-Ne-Laser LU2 (P 2 mw, 2w 0 0,5 mm, 633 nm, Schutzklasse 3B) Netzteil für He-Ne-Laser LU2 (IC 1200 stable bei 12 V - Einstellung) Blende (Ø 0,5 mm) Objektrevolver I mit Beugungsstrukturen und Mattscheibe Objektrevolver II mit Beugungsstrukturen (Spalte und Drähte) Objektrevolver III u.a. mit zerkratzter Glasscheibe 2 Brillengläser (F 2 dpt, -2 dpt) Sammeloptik (für Laserfokussierung, Einzellinse f 15 mm) Projektionsschirm 6. Literatur [1] H. Bauer: Lasertechnik. Vogel Buchverlag Würzburg 1991 [2] W. Richter: Papers zum Problem Geometrische Natur der Laserstrahlung und Laserabbildung. Technische Universität Ilmenau [3] W. Richter: Anwendungen der Technischen Optik. Skript zur gleichnamigen Vorlesung an der Technischen Universität Ilmenau [4] W. Richter: Technische Optik 2. Skript zur gleichnamigen Vorlesung bzw. Vorlesungsskript Grundlagen der Technischen Optik an der Technischen Universität Ilmenau [5] A. Donges, R. Noll: Lasermeßtechnik. Hüthig Buch Verlag Heidelberg 1993 [6] W. Lauterborn, T. Kurz, M. Wiesenfeldt: Kohärente Optik. Springer Verlag Berlin-Heidelberg [7] M. V. Klein, Th. E. Furtak: Optik. Springer Verlag 1988 Praktikum Wahlfach Technische Optik Beugung und Laserspeckles - 6 / 6 -