Laserinterferometrie
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- Frauke Gerber
- vor 8 Jahren
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1 Laserinterferometrie Seminar: Wechselwirkung intensiver Laser- und Ionenstrahlen mit Materie Marco Möller of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Doppelspalt 2 Zweistrahlinterferometer Michelson-Interferometer GEO600 / LISA Twyman-Green-Interferometer Laser-Doppler-Vibrometer Laser-Doppler-Anemometer Sagnac-Interferometer Ring Laser Jamin-Interferometer Mach-Zehnder-Interferometer Wollaston-Interferometer 3 Mehrstrahl Interferenz Gitter Fabry-Pérot-Interferometer 2 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
3 Übersicht 1 Einleitung Doppelspalt 2 Zweistrahlinterferometer 3 Mehrstrahl Interferenz 3 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
4 Doppelspalt Maxima: s = db cd = nλ Minima: ( s = db cd = n + 1 ) λ 2 Streifenmuster könnte genutzt werden für Anwendungen Verbesserung: gehen die streifen schärfer? Idee: Trennung der interferierenden Teilstrahlen Anwendungen en.wikipedia.org/wiki/double-slit_ experiment 4 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
5 Übersicht 1 Einleitung 2 Zweistrahlinterferometer Michelson-Interferometer GEO600 / LISA Twyman-Green-Interferometer Laser-Doppler-Vibrometer Laser-Doppler-Anemometer Sagnac-Interferometer Ring Laser Jamin-Interferometer Mach-Zehnder-Interferometer Wollaston-Interferometer 3 Mehrstrahl Interferenz 5 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
6 Michelson-Interferometer 1 Grundidee: (Laser)lichtstrahl aufteilen wie? 2 Teilstrahlen unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen aussetzten was für welche? 3 Teilstrahlen vergleichen mittels Interferenz 4 Aussagen über die Ausbreitungsbedingungen treen Teilarme werden zweimal durchlaufen! Interferometry.html 6 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
7 GEO600 / LISA Gravitationswellen nachweisen Michelson-Interferometer Geo600 (seit 2006 bei Hannover) 2x600m Schenkel LISA (ab ca am L1-Punkt) 3 Satelliten mit m Abstand m Sensitivität in Längenänderung Position über freischwebende Masse (= Spiegel) im Inneren kalibriert 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
8 Twyman-Green-Interferometer Ähnlich Michelson Interferometer Punktlichtquelle wird mit sehr genauer Linse zu parallelem Strahl aufgeweitet M 1 ist drehbar: Dadurch kann exaktes Streifenmuster erzeugt werden Anwendung: Qualitätsprüfung von Linsen und Spiegeln electron9.phys.utk.edu/optics421/ modules/m5/interferometers.htm 8 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
9 Laser-Doppler-Vibrometer Berührungslose Messung von mechanischen Schwingungen Laserlicht wir frequenzmoduliert bei Reexion an einer schwingenden Oberäche f ob Ohne Tricks: Bewegungsrichtung der Schwingung mehrdeutig Verschiebe Frequenz in einem Arm um f B Interferenzmuster wandert mit f B f ob moduliert nun f B f laser messbar 9 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
10 Laser-Doppler-Anemometer Messen von Strömungsgeschwindigkeiten Projiziere wanderndes Interferenzmuster in Strömung (Laser-Doppler-Vibrometer) Streulicht an Tracer-Partikeln ist moduliert mit Strömungsgeschwindigkeit 10 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
11 Sagnac-Interferometer 2 Entgegengesetzte zirkulierende Strahlen Relative Streifenverschiebung = 4AΩ λc A eingeschlossene Fläche Ω Rotationsgeschwindigkeit Michelson-Gale-Versuch (1926) 1.9 km Vakuumrohr (17 mbar) Lichtquelle: Kohle-Lichtbogen Erdrotation auf genau gemessen: = 0, 230 ± 0, 005 (echt 0,237) Würde für ruhenden Äther oder für Relativitätstheorie sprechen Anwendung: Messen von Rotationen Laserkreisel Kompakt: hunderte Meter Glasfaser aufrollen en.wikipedia.org/wiki/ Sagnac_effect 11 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
12 Ring Laser Laserfrequenz blau verschoben mit Rotationsrichtung rot entgegen Rot. Überlagerung ergibt Schwebung: Frequenz proportional zur Rotationsgeschwindigkeit Ω Wesentlich gröÿerer Eekt als beim Sagnac-Interferometer Problem: Lock-In / beide Frequenzen sind bei kleinem Ω gleich Lösung: Apparatur konstant vibrieren / rotieren en.wikipedia.org/wiki/sagnac_ effect 12 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
13 Jamin-Interferometer Aufteilung von Licht mittels dicker Glasplatte vor Spiegel. Vorteil: Einfacher Aufbau Nachteil: Geringer räumlicher Abstand der Teilstrahlen de.wikipedia.org/wiki/ Jamin-Interferometer 13 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
14 Mach-Zehnder-Interferometer Nachfolger von Jamin-Interferometer Groÿe räumliche Trennung der Teilstrahlen Anwendung Phasenverschiebungsmessung / Brechungsindexmessung z.b. von Gasen / Plasmen Gezielte Modulation der Lichtamplitude durch Phasenmodulation in einem Arm Frage: Warum kann man hiermit keine Michelson-Morley Experiment machen? Nachteil: Beide Lichtwege müssen L < Koherenzlänge haben de.wikipedia.org/wiki/ Mach-Zehnder-Interferometer 14 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
15 Wollaston-Interferometer Referenz und Messstrahl identisch durch räumliche Aufteilung Messobjekt darf Strahl nicht füllen Vorteile Koherenzlänge unproblematisch Hohe Zeitauösung aus: Dissertation Gabriel Schaumann, Darmstadt of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
16 Zeitauösung 0,5 ns breiten Laserpuls Zirkulieren lassen - Umlaufdauer 1,5 ns Bei jeder Zirkulation Winkel leicht ändern Nach Durchlauf durch Objekt die Winkel an Discokugel räumlich trennen Jeweils ein Wollaston-Interferometer aus: Dissertation Gabriel Schaumann, Darmstadt of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
17 Anwendung: Analyse von Plasmen Dichten 1 Phasenverschiebung aus Interferogramm auslesen 2 Annahme das Target rotationssymetrisch: Radiale Brechungsindexverteilung über Abelinversion bestimmbar 3 Brechungsindex ist mit Elektronendichte verknüpft aus: Dissertation Gabriel Schaumann, Darmstadt of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
18 Übersicht 1 Einleitung 2 Zweistrahlinterferometer 3 Mehrstrahl Interferenz Gitter Fabry-Pérot-Interferometer 18 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
19 Gitter Intensität I (u) = sin2 (und/2) N 2 sin 2 (ud/2) Rayleigh-Kriterium: Wellenlängen unterscheidbar, wenn m.te Maxima mit einem benachbarten Minima zusammenfällt Auösungsvermögen: λ δλ = und 2π = mn 19 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
20 Fabry-Pérot-Interferometer hohe Reexivität viele auslaufenden Teilstrahlen mit leicht abfallender Intensität ( Beugungsgitter) Mit nicht variablen d auch Etalon genannt Anwendung: Wie Beugungsgitter Problem: Spiegel sollten mehr als 1 λ parallel und eben sein 100 hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/fabry.html 20 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
21 Fragen? blag.xkcd.com/2008/02/15/the-laser-elevator/ 21 of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
22 Referenzen Lipson. Optik. Springer, 1997 Polytec - Vibrometry Basics: Verweise 1.ter Ordnung + jeweilige englische Übersetzungen GEO600: LISA: Interferometertypen: Laser Doppler Aneomymeter: G. Schaumann. Dissertation Albert Abraham Michelson, Henry G. Gale: The Eect of the Earth's Rotation on the Velocity of Light, in: The Astrophysical Journal 61 (1925), S of 22 Marco Möller Laserinterferometrie
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