Experimentierfeld 5 Optisches Präzisionsinterferometer 1. Sicherheitshinweise Laserstrahlen können in biologisches Gewebe insbesondere die Netzhaut des Auges schädigen. Der im Experiment verwendete HeNe-Laser ist der Laserschutzklasse 2 zugeordnet und emittiert je nach Filterstellung am Ausgang eine Leistung von P aus = 0,3 mw oder P aus = 0,9 mw, so dass bei sachgemäßem und bestimmungsmäßigem Gebrauch keine Gefährdung besteht. Die Sicherheit ist jedoch nicht garantiert, wenn das Gerät unsachgemäß bedient oder angewendet wird. Bitte halten Sie die folgenden Regeln unbedingt ein: Die Filterscheibe am Laserausgang darf nur nach Rücksprache mit Herrn Held oder Herrn Dr. Coenning von der Stellung 0,3 mw in die Stellung 0,9 mw verschoben werden (Filter wird aus dem Laserstrahl hinausgeschwenkt) Direktes Hineinblicken in den Laser sowie in reflektierte bzw. in anderer Form abgelenkte Strahlenbündel ist strengstens untersagt. Der eingeschaltete HeNe-Laser darf nicht von der Tischplatte abgehoben werden, so dass der Laserstrahl unkontrolliert den Raum durchläuft. Direktes Aufsetzen des Lasers auf beliebige Körperteile ist strengstens verboten. Begeben Sie sich mit Ihren Augen bei Justierarbeiten nie in die Ebene des sich ausbreitenden Laserstrahls. 2. Beschreibung und Bedienung der Geräte Zentrale Komponente des Interferometers ist der Strahlteilerwürfel. Das Glas des Strahlteilers ist auf einer Seite entspiegelt und auf der anderen Seite mit einer 50 % durchlässigen Beschichtung versehen. Diese Seite des Glases ist mit einem Dreieck gekennzeichnet. Weitere Komponenten sind ein raumfester Reflektor, welcher über sehr empfindliche Mikrometerschrauben in seiner Ausrichtung nachjustiert werden kann, sowie ein beweglicher Reflektor, welcher über eine Mikrometerschraube und einen Exzenter eine Parallelverschiebung des Reflektors im Strahlengang ermöglicht.
Prinzipieller Aufbau eines Michelson Interferometers Raumfester Reflektor halbdurchlässiger Spiegel S Sender Beweglicher Reflektor x E Empfänger Für weitere Experimente steht Ihnen noch eine schwenkbare Glasplatte der Dicke d = 4 mm, sowie eine Vakuumzelle zur Verfügung. Mittels der ebenfalls zur Versuchsausstattung gehörenden Vakuumpumpe kann diese Zelle evakuiert werden, d.h. ein Vakuum in ihr aufgebaut werden. Bitte gehen Sie sehr sorgfältig und achtsam mit den verschiedenen Komponenten um. Vermeiden Sie es insbesondere unbedingt, die Glasflächen zu berühren und zu verunreinigen. Achten Sie bitte außerdem darauf, dass die Mikrometerschrauben nicht mit Kraft gegen Anschläge gedreht werden, wodurch die Feingewinde zerstört würden.
3. Justierung des Interferometers Der Laser ist mittels der Dreipunktlagerung des Laserträgers bereits so justiert, dass er horizontal durch die Aufweitungslinse am Eingang des Interferometers strahlt. Um Sie etwas mit den Schwierigkeiten optischer Justagearbeiten vertraut zu machen, ist der Strahlteiler nicht im Aufbau montiert. Setzen Sie diesen mit der teilreflektierenden in Richtung Laser in den Aufbau ein und schrauben Sie ihn zunächst lose an. Verdrehen Sie den Strahlteiler dann vorsichtig innerhalb der engen möglichen Grenzen so, dass die beiden hellsten auf dem Beobachtungsschirm sichtbaren Punkte in etwa auf einer vertikalen Linie liegen. Dann den Strahlteiler fixieren. Mit den Einstellschrauben am raumfesten Spiegel können nun diese beiden Punkte in Deckung gebracht werden. Dabei ergeben sich schon Interferenzen, die durch ein Flimmern erkennbar sind. Drehen Sie nun die Aufweitungslinse zurück in den Strahlengang und fixieren Sie sie so, dass sich bezüglich der Helligkeit (nicht bezüglich der Interferenzringe) ein etwa mittiges Bild auf dem Beobachtungsschirm ergibt. Abschließend kann mit einer nochmaligen Justierung des raumfesten Spiegels erreicht werden, dass auch die Interferenzringe mittig auf dem Schirm erscheinen. Nach dem Einbringen weiterer Komponenten in den Strahlengang (schwenkbare Glasplatte, Vakuumzelle) kann es erforderlich sein, das Interferometer geringfügig nachzujustieren. 4. Michelson Interferometer 4.1 Messung der Wellenlänge des Lasers Zur Durchführung der Messung drehen Sie die Mikrometerschraube vorsichtig am hinteren Ende (kleiner Durchmesser) bis ca. 25 mm heraus. Zur Messung wird die Mikrometerschraube zunächst langsam auf 20 mm zurückgedreht, um das Umkehrspiel des Gewindes auszugleichen. Während der eigentlichen Messung wird die Mikrometerschraube weiter langsam im Uhrzeigersinn Richtung 0 mm gedreht. Gleichzeitig muss dabei die Anzahl m der entstehenden Interferenzringe gezählt werden. Die Messung wir umso genauer, je größer die Anzahl m der Ringe gewählt wird. Aus dem Verfahrweg der Spindel und dem Untersetzungsfaktor der Anordnung kann so die Wellenlänge des Lasers bestimmt werden. Um ggf. aufgetretene Fehler beim Zählen ausschließen zu können, sollte die Messung 3-mal wiederholt werden. Bitte vermeiden Sie während der Messung Atemluft in die Anordnung einzubringen, da die Dichte- und Feuchtigkeitsänderungen sonst zu einem Laufen der Interferenzringe führen.
4.2 Brechzahl von Glas Zur Messung der Brechzahl einer Glasplatte muss die schwenkbare Glasplatte der Dicke t = 4 mm in den Strahlengang zwischen raumfestem Spiegel und Strahlteiler eingebracht werden. Ggf. sind kleine Nachjustierungen am raumfesten Spiegel vorzunehmen. Stellen Sie das Interferometer so ein, dass bei Stellung der Glasplatte unter 0 o ein eindeutiger Zustand im Zentrum der Interferenzringe auf dem Beobachtungsschirm besteht (hundertprozentige konstruktive oder destruktive Interferenz). Nun wird die Glasplatte sehr vorsichtig und langsam um den Drehwinkel Φ gedreht. Hierzu ist eine extrem ruhige Hand erforderlich. Mit zunehmendem Drehwinkel Φ wird die Winkeländerung Φ, die zum Verschwinden eines Ringes führt immer kleiner, so dass das Zählen erschwert wird. Die Beobachtung von mehr als m = 20 Ringen erfordert großes experimentelles Geschick. Nach Andrews ergibt sich die Brechzahl n G des Glases zu: n G = ( 2t mλ ) ( 1 cosφ) 2t ( 1 cosφ) mλ 2 2 m λ + 4t Diese Beziehung berücksichtigt auch die Verlängerung des Lichtweges durch die Brechung des Lichts beim Eintritt in und beim Austritt aus der Glasplatte. Wird Φ klein gehalten, kann mit recht guter Näherung von einer geradlinigen Durchdringung des Mediums ausgegangen werden. 4.3 Brechzahl der Luft Zur Messung der Brechzahl der Luft muss die Vakuumzelle in den Strahlengang zwischen Strahlteilerwürfel und beweglichem Spiegel eingebracht werden. Danach schließen Sie die Vakuumhandpumpe an und lesen Sie den angezeigten Druck p ab. Ggf. sind nun noch kleine Nachjustierungen am raumfesten Spiegel vorzunehmen. Stellen Sie das Interferometer so ein, dass ein eindeutiger Zustand im Zentrum der Interferenzringe auf dem Beobachtungsschirm besteht (hundertprozentige konstruktive oder destruktive Interferenz). Nun kann mit der Handpumpe der Luftdruck in der Vakuumzelle langsam erniedrigt werden. Parallel hierzu wird die Anzahl m der verschwindenden Ringe gezählt und in regelmäßigen Abständen mit dem Druckwert dokumentiert. Bei einem Druck p = 0 ist die Brechzahl n(p =0) =1. Mit zunehmendem Druck steigt die Brechzahl gemäß
n n( p) = 1+ p an. Zur Ermittlung der Brechzahl bei Normaldruck ist also die Steigung n/ zu bestimmen. In guter Näherung gilt: n λ = 2l z m Der Parameter l z (hier l z = 41 mm) steht dabei für die innere Länge der Vakuumzelle. Wurde also zum Beispiel bei einer Druckabsenkung um = 90 kpa ein m = 25 bestimmt, dann ergibt sich ein n/ = 2,14. 10-9 1/Pa. Demnach entspricht die Brechzahl n der Luft bei einem Umgebungsdruck von ca. 100 kpa: n = 1,00021. Der Literaturwert liegt bei n = 1,00029. Umrechnungsfaktoren: 1 Pa 0,00750062 mmhg 1 Pa 1. 10-5 bar = 0,01 mbar 1 Pa 0,01 hpa