Experimente zur Autokorrelation von thermischer Strahlung. Jan Roß Seminar der Senioren der Fakultät für Physik

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1 Experimente zur Autokorrelation von thermischer Strahlung Jan Roß Seminar der Senioren der Fakultät für Physik

2 Inhalt Untersuchungsmethoden zur Messung von Fluktuationen Welche Verläufe werden erwartet? Messung der Autokorrelation Räumliche und zeitliche Kohärenz Erreichte spektrale Auflösung Erreichte elektronische Auflösung Apparateprofil Ergebnisse Xe-Lampe Ergebnisse Sonne / Halogenlampe Bisherige Messungen & Einordnung Zusätzliche Folien

3 Welche Methoden gibt es, um Fluktuationen von Licht zu untersuchen? a) Ereigniszählung b) Abstandsverteilung c) Korrelationen

4 Welche Verläufe werden erwartet? Zufällige Ereignisse: Poisson-Verteilung Abstandswahrscheinlichkeit Rate Bose-Einstein-Verteilung Poisson-Verteilung Intensitätskorrelationsfunktion Verlauf Intensitätskorrelationsfunktion und Abstandswahrscheinlichkeit ist bei niedrigen Zählraten gleich

5 Messung der Autokorrelation Erwarteter Verlauf einer Abstandsmessung von Photonen Idealisierte Abstandsmessung von Photonen - symmetrisch aufgetragen k Photonenpaare mit Abstand t Anstieg bei kleinen Zeitdifferenzen auf k 0 Beliebige Zeitdifferenzen: Zufällige Koinzidenzen k (Poisson) gerechnet nach g (2) : Intensitätskorrelationsfunktion Wert der Autokorrelation (bei t=0 ) f 2 = k 0 k

6 Autokorrelation und räumliche Kohärenz Räumliche und zeitliche Kohärenz Blenden B 1, B 2

7 Räumliche Kohärenz durch Blenden leicht einzuhalten: Quelle: z.b. Blende d=0.5mm bei l=500nm Abstand a=1m Räumlicher Kohärenzbereich am Detektor: 1/mm

8 Zeitliche Kohärenz Z t = Dn Dt Schwerer zu erfüllen: PMT-Puls: 2ns Messfenster Dt = 4ns, bei l=500nm (n= Hz) mit der Forderung Z t = 0,1 folgt für die Linienbreite Diese Linienbreite war mit den gegebenen Mitteln nicht zu erfüllen. Erreichbar: Dl = nm bei l=775 nm

9 Erreichte spektrale Auflösung Interferenzfilter und drei Etalons Gerechneter Transmissionsverlauf Dl = nm bei l=775 nm entspricht Dn= Hz

10 Mit der Forderung Z t = 0.1 folgt, dass in Zeitintervallen von 0.41ns noch zwei Pulse unterschieden werden müssen! PMT: liefert typische Pulsbreite ca. 2 ns Frage: Wie läßt sich also die zeitliche Auflösung weiter steigern? Antwort: Mittels zweier Photomultiplier Trigger: führende Flanke eines Pulses

11 Messaufbau elektronischer Teil ( Dt ) Apparativ erzielbare zeitliche Auflösung: 0.18 ns Messaufbau optischer Teil ( Dn ) Erreichte Auflösung: Dn= Hz

12 Apparateprofil Änderung von Spannungspegeln bei den Photomultipliern Schwankungen bei Verstärkern, Diskriminatoren, TAC etc. Apparateprofil: Gute räumliche Kohärenz, aber Etalon Ef entfernt Dn= Hz (statt Hz) z t = Dn Dt = 3.1 z r = 0.13 Aus der Messung folgt Dt = 1.05ns Damit ist die zeitliche Kohärenz mit Etalon Ef Das Apparateprofil wurde bei den theoretischen Kurven der Einzelmessungen berücksichtigt.

13 Typisches Ergebnis einer Einzelmessung Xe-Lampe Messzeit 43 Min. Messzeit 14.4 Std. Bandbreite der Strahlung Dn = 243 Mhz z t = Dn Dt = 0.26 z r = DA D /l 2 = 0.13 Damit ist die Autokorrelation für einen Wert z r gemessen

14 Ergebnis der Messungen mit der Xe-Lampe Verlauf der Autokorrelation als Funktion der räumlichen Kohärenz Blende B1: 85 mm / a = 0.18m

15 Verlauf der Autokorrelation vs. Kohärenz theoretischer Verlauf - gute Kohärenz (n. P. Dürr) p r : Wahrscheinlichkeit f. Photon im räumlichen Messbereich p t : Wahrscheinlichkeit f. Photon im zeitlichen Messbereich Z r : räumliche Kohärenz = z x z y Z t : zeitliche Kohärenz J 1 (x): Besselfunktion (wg. Kreisblende B 1 ) Skalierungsfaktor zwischen z x und Dx : 0.603

16 Ergebnis der Messungen mit der Sonne Z t = Dn D t=0.26 Blende B 0 =3 x 8mm Blende B 1 = 85 mm a = 0.195m z y = 0.35

17 Messungen mit der Halogenlampe Messzeit 18 Std. Autokorrelation: f 2 = k 0 k = 0.16

18 Bisherige Ergebnisse von Hanbury-Brown, Twiss, Morgan & Mandel

19 Zusammenfassung bisheriger Messungen l= nm Unsere Messungen Xe- Lampe XBO-500 Osram 6100 K 0.6 x 0.7mm 30A 15V Sonne Halogenlampe Handelsübliche Halogenlampe z t z r min d (Autokorrelation)

20 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

21 Spektren der Sonne und der Xenonlampe

22 Quantenwirkungsgrad

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