Mach-Zehnder Interferometer

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1 Mach-Zehnder Interferometer 1891/2 von Ludwig Mach und Ludwig Zehnder entwickelt Sehr ähnlich Michelson-Interferometer Aber: Messobjekt nur einmal durchlaufen 1

2 Anwendung: Mach-Zehnder Interferometer Dichteschwankungen in Gasströmungen (z.b. Windkanal) Streifenmuster durch räumliche Variation des Brechungsindex Lokalisierung der Streifen Verkippung eines Strahlteilers Leicht divergente Strahlen Abbildung von Objekt + Streifenmuster möglich 2

3 Sagnac-Interferometer Teilstrahlen in unterschiedliche Richtungen Nach Durchlauf zu Interferenz gebracht Bei Rotation: Eintritts-/Austrittspunkt verschoben Unterschiedliche Laufzeiten Phasenverschiebung Anwendung: Optisches Gyroskop, Laserkreisel 3

4 Laserkreisel Optischer Resonator des Lasers ringförmig geschlossen Zwei unabhängige umlaufende Lichtwellen Sagnac-Effekt Umlaufzeit leicht unterschiedlich Frequenzunterschied der Lasermode Interferenzmuster Schwebung Streifen wandern rechts/links Messung mit Fotodiode Problem: Lock-In Effekt Für langsame Rotation Durch Streuung am Spiegel 4

5 Laser-Doppler Anemometer (LDA) Rückblick: Interferenz schräger Wellen stehende Welle laufende Welle 5

6 LDA Prinzip Interfernz zweier verkippter Laserstrahlen Strahltaillen im Überlagerungsbereich ebene Wellen Stationäres Streifenmuster: Messvolumen 6

7 LDA Prinzip Teilchen bewegt sich durch Messvolumen Teilchen streut lokal Licht Detektor empfängt Streulicht Wegen stationärem Streifenmuster: Warum Laser-Doppler-Anemometer? D 7

8 Optischer Doppler-Effekt Spez. Relativitätstheorie: Relativgeschwindigkeit v (positiv f. Annäherung) Lichtgeschwindigkeit c Bewegter Sender: S E für kleine Geschwindigkeiten: Bewegter Empfänger: S E 8

9 Doppler-Effekt beim LDA Streuung am Teilchen VOR Interferenz y Zwei gestreute Wellen mit Veränderte Frequenz (Doppler-Effekt) θ θ x 9

10 LDA Signale Doppler-Bursts (durch Gaußsches Laserprofil) Modulationstiefe / Signalgüte: Abhängig von: Teilchengröße (relativ zu Wellenlänge, Streifenabstand) d p 0.2λ d p 1.0λ d p 10λ 10

11 LDA Signale und Teilchengröße Kugelförmiges Teilchen, Durchmesser d p 1) d p = x/2 : Idealfall η=1 2) d p < x oder d p > x: 0<η 1 3) d p = x : η=0 4) Mehrere Teilchen Phasensprünge, aber sinnvolle Ergebnisse 11

12 LDA Prinzipieller Aufbau Fluß Laser Transmitting optics Receiving optics with detector HeNe Ar-Ionen Nd:Yag Halbleiter Strahlteiler (Bragg-Zelle) Optik Gas Flüssigkeit Teilchen Optik Raumfilter Photomultiplier Photodiode Microcontroller, PC Signal processing Signal conditioner FFT-Analysator Zähler Verstärker Filter 12

13 LDA Systemkonfiguration Anordnung mit Vorwärts-Streuung Beleuchtungs- Optik Empfänger-Optik mit Detektor Flow Anordnung mit Rückwärts-Streuung Detektor Beleuchtungs-und Empfänger- Optik Bragg Zelle Laser Flow 13

14 Normale LDAs LDA Verbesserungen Geschwindigkeitskomponente in einer Richtung erkennbar Keine Richtungserkennung möglich Mehrlasersysteme Unterschiedliche Wellenlängen 2D/3D Geschwindigkeitsmessung 14

15 Normales LDA: LDA Richtungserkennung Veränderung der Frequenz eines Teilstrahls: Bewegtes Streifenmuster f 1 f 1 + f Bragg-Zelle f D Richtung erkennbar, solange f max f Erzeugung der f-verschiebung? v min v min v max v max v 15

16 Reflexion an Ultraschall-Wellenfronten Wg. Dichteänderung im Material Absorber zur Vermeidung stehender Wellen Erklärung Aus Beugung an Gitter Dichteunterschiede: Breiter Laserstrahl (>λ US ) Reflexion an mehreren Ebenen Interferenz Konstruktiv für best. Winkel Bragg-Winkel ϕ B Ausbreitung US-Welle: Bragg-Zelle Piezoelektrischer US-Transducer US-Wellenfronten Dopplerverschiebung der reflektierten Welle Frequenzverschiebung des reflektierten Laserstrahls ϕ Β v US Absorber f US fl f L + f 16

17 Bragg-Zelle λ US s 1 s 2 Reflexionswinkel (m=1) Wegunterschied: λ,f,c φ Β λ,f,c Frequenzverschiebung Bewegter Empfänger: φ Β λ,f,c Bewegte Quelle: λ,f,c v US λ,f,c Gesamt: 17

18 Phase Doppler Anemometry (PDA) Particle Dynamics Analysis bzw. Phase Doppler Anemometry Prinzip: LDA, zus. Detektoren Streuung/Reflexion des Lichts: Detektoren empfangen unterschiedliche Phasen Phasenshift = f(teilchengröße) Mehrere Detektoren: vermeidet Mehrdeutigkeiten Brechungsindex der Tröpfchen bekannt 18

19 Ausblick: Spezielle Anwendungen Michelson-Interferometer Weißlichtinterferometer Mirau-Interferometer (Interferenz-Mikroskopie) Fourier-Transformations-Spektroskopie Optische Kohärenztomografie Strömungs-/Schwingungsmessung Particle Tracking Velocimetry Particle Image Velocimetry (PIV) Laser-Doppler-Vibrometer Speckle-Messtechnik 19