Michelsonin interferometri

Michelson-interferometri [ maɪkəlsn- ] on interferometri , joka on nimetty fyysikko Albert A. Michelson . Tämä mittauslaite tuli tunnetuksi ensisijaisesti Michelson-Morley -kokeilun kautta, jonka kautta niin kutsuttu ns. Kevyt eetteri oli tutkittava valon leviämisen väliaineena. Michelsonin interferometri käyttää häiriöilmiötä , joka voidaan havaita vain koherentilla valolla. Normaalisti häiriökokeisiin käytetään erityisiä valonlähteitä, yleensä lasereita . Kokeessa se voidaan sitten jakaa palkkijakajaan ja lopulta saada itse häiritsemään. Michelsonin interferometrin erityispiirre on, että säteenjakaja ja osittain läpinäkyvä peili, jossa palkit yhdistyvät, ovat samat.

Michelson-interferometri, jossa on diodilaseri ja säteen polku

Päällekkäisten aaltojen välisen polkueron on oltava pienempi kuin koherenssipituus . Korjaus levy on siis asennettu interferometrin varsi median kanssa dispersion ja valonlähteet, jolla on laaja kirjo . Korjauslevy on valmistettu samasta materiaalista kuin palkinjakaja ja sen paksuus on sama, mutta se on täysin läpikuultava. Se sijaitsee palkinjakajan jakautuvalla puolella ja on kiinnitetty siten, että kahden osapalkin välinen polkuero kompensoidaan.

toiminnallisuutta

Michelsonin interferometrin rakenne

Interferometri jakaa valoaallon kahteen osaan. Nämä kaksi aaltoa kulkevat sitten eri pituuksien läpi, joiden kesto on erilainen. Kahden aallon välillä on vaihesiirto. Kun he kohtaavat, häiriöitä tapahtuu.

Michelsonin interferometrillä valoaalto jaetaan puoliksi läpinäkyvän peilin avulla . Valonlähteen lähettämä valo päästetään osittain läpi (merkitty punaisella) puoliläpinäkyvän peilin kohdalla ( säteenjakaja ), mutta osittain heijastuu 90 astetta (merkitty sinisellä). Lähetetty ja heijastunut valo osuu nyt (täysin heijastavaan) peiliin ja heijastuu takaisin puoliksi läpinäkyvään peiliin. Jälleen osa heijastuu ja osa päästetään läpi. Kaksi aaltoa (merkitty keltaisella) menevät sitten päällekkäin puoliläpinäkyvän peilin taakse aiheuttaen häiriöitä.

Jos muutat toisen aallon optisen reitin pituutta , esim. B. siirtämällä yhtä kahdesta peilistä tai muuttamalla väliaineen taitekerrointa yhdessä interferometrivarrista, kahden aallon vaiheet siirtyvät toisiaan vastaan. Jos ne ovat nyt vaiheessa, niiden amplitudi lisätään (yksi puhuu rakentavasta häiriöstä), mutta jos ne ovat vaiheen ulkopuolella, ne peruuttavat toisensa (tuhoava häiriö). Pienimmätkin muutokset kahden aallon välisessä polkuerossa voidaan mitata mittaamalla tuloksena olevan aallon voimakkuus.

Häiriöreunojen luominen

Häiriöreunojen muodostuminen

HeNe-laserinterferenssikuvio 633 nm

Häiriökuvio elohopeahöyrylamppu

Rinnakkainen sädekimppu tulee valonlähteestä (tasoaalto). Tätä "laajennetaan" linssijärjestelyllä ja se kulkee sitten toisistaan ​​(hajaantuneena) uuden kuvitteellisen lähtöpisteen G (pallomainen aalto) kanssa, joka sijaitsee linssijärjestelyn alueella.

Säteenjakaja jakaa tämän divergentin sädekimpun kahteen divergenttiin sädekimppuun. Molemmat sädekimput heijastuvat peilistä (rakenteesta riippuen), tuodaan uudelleen yhteen ja ohjataan näytölle. Interferenssikuvioita saatu aikaan, koska suorat reitit ”Säteenjakajapeili 1 säteenjakajan screen” ( l ₁ ) ja ”Säteenjakajapeili 2 säteenjakajan screen” ( l ₂ ) ovat eripituisia. Etäisyys kuvitteellisesta lähtöpisteestä G säteenjakajaan on vakio ( g ). Jos kaksi sädettä kahdesta sädekimpusta osuu samaan paikkaan samanaikaisesti (etäisyys d häiriörenkaiden keskipisteestä), niin ne ovat peittäneet eripituisia polkuja w . Tarkka polku löytyy yhtälöstä

${\ displaystyle w = {\ sqrt {d ^ {2} + (g + l) ^ {2}}}}$

laskea.

Kanssa samalla etäisyydellä d päässä häiriön renkaat, polut w ₁ ja w _{2 ovat} eri pituisia. Jos d kasvaa lineaarisesti, niin w ₁ ja w _{2 kasvavat} eri nopeuksilla . Jos tarkastellaan tasoaalloa, ruudulle ilmestyy kirkas piste rakentavien häiriöiden tapauksessa; tuhoavien häiriöiden tapauksessa se pysyy pimeänä. Häiriörenkaat ovat seurausta Gaussin säteistä , jotka ovat pallomaisia ​​aaltoja tietyltä pituudelta.

Suhteellinen etäisyyden mittaus

Interferometri soveltuu siis kahden osapalkin välisen reitin pituuseron hitaiden muutosten mittaamiseen, esimerkiksi yhden läpinäkymättömän peilin asennon muutokseen, saavutettavissa olevan resoluution ollessa puolet käytetyn valon aallonpituudesta. Näkyvällä laservalolla aallonpituus on muutama sata nanometriä .

Mittaamiseksi siirrä toista kahdesta läpinäkymättömästä peilistä ja laske liikkeen aikana kulkevien häiriöminimien (tai -maksimien) määrä. Jokainen minimi vastaa tällöin polun pituuden muutosta yhdellä aallonpituudella, ts. Peilin sijainnin muutosta puolella aallonpituudella. Absoluuttisia reittipituuksia tai niiden absoluuttista eroa ei voida mitata, samoin kuin liikesuuntaa. Mitattavan muutoksen nopeutta rajoittaa saavutettavissa oleva minimien laskentanopeus .

Etäisyyden mittauksen parantaminen

Jos peilin liikkeen suunta muuttuu, syntyy ongelma, että sinin ääripäissä (häiriökuvion kirkkaimmat ja tummimmat kohdat) ei tiedetä, jatkuuko peilin liike samaan suuntaan vai päinvastoin, koska molemmat tuottavat saman signaalikäyrän olisi. Siksi tässä tapauksessa toinen anturi on sijoitettava eri kohtaan niin, että molemmat signaalit eivät koskaan ole äärimmäisissä pisteissä samanaikaisesti.

Michelsonin interferometrillä suoritetulle etäisyyden mittaukselle on tunnusomaista korkea resoluutio ja lineaarisuus (riippuen laserin aallonpituudesta).

Nykyiset gravitaatioaaltotunnistimet edustavat Michelsonin interferometrin monimutkaisinta versiota polun pituuden mittaamiseksi liikkuvasti asennetuilla peileillä.

Heterodyne Michelsonin interferometri

Monet nykypäivän Michelsonin interferometrit on suunniteltu heterodyniinterferometreiksi . Hieman erilaista taajuutta käytetään interferometrin kahdessa haarassa. Yhdistetyt palkit aiheuttavat lyönnin ilmaisimessa. Samaan aikaan osa valosta molemmilla taajuuksilla asetetaan vertailutunnistimeen, ts. Ei heijastu peileihin. Todellinen mittaus on sitten ilmaisimen ja vertailudetektorin lyönnin välisen vaihe-eron mittaus. Koska vaihekulmamittaukset ovat mahdollisia huomattavasti paremmalla tarkkuudella kuin homodyninterferometrin häiriösignaalin interpolointi, heterodyni Michelson -interferometreillä on jo saavutettu 10 pm: n resoluutiot  . Lisäksi edellä mainittu ongelma suunnan kääntämisessä ääripisteissä poistetaan, koska lyönnin vaihe-asema kasvaa pidemmälle etäisyydelle sopivalla rakenteella ja se voidaan määrittää selvästi signaalivarren ja vertailudetektorin välisen vaihe-eron avulla.

Kahden aallonpituuden tuottamiseen käytetään yleensä Zeeman-vaikutukseen perustuvia lasereita tai akusto-optista modulaattoria .

Käytä spektrometrinä

Jos käytetään laajakaistaisia IR- lähteitä ja säteen annetaan kulkea mittauskyvetin läpi detektorin edessä mitattavan aineen kanssa , voidaan saada sen spektri . Mitattavan taajuuskaistan läpi kulkemiseksi yhden peilin x sijaintia on muutettava ajan myötä, esimerkiksi pietsoelementillä , erilaisten reittierojen ja siten resonanssi- ja sammutustapausten luomiseksi eri aallonpituuksilla. Fourier interferogrammin kolmiulotteises- I ( x ) tai aikatason I ( t ) taajuusalueelle tarjoaa spektri aineen. ${\ displaystyle I (\ nu)}$

Kaasun taitekertoimen määrittäminen

Kaasun taitekertoimen määrittämiseksi vastaavalla kaasulla täytetty kyvetti asetetaan osapalkkiin, jonka polun pituutta muutettiin aiemmin (peilit pysyvät nyt kiinteinä). Kaasun paine ja siten niiden kaasumolekyylien lukumäärä, joiden läpi valo tunkeutuu, voidaan vaihdella tähän kyvettiin liitetyn pumpun avulla. Lineaarinen suhde paineen ja taitekertoimen välillä kuvataan seuraavasti

${\ displaystyle n (p) = n (0) + {\ frac {\ Delta n} {\ Delta p}} \, p}$

ja hyödyntää sitä taitekertoimen nousun vuoksi

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta n} {\ Delta p}} = {\ frac {\ Delta N} {\ Delta p}} \, {\ frac {\ lambda} {2s}}}$

voidaan ilmaista, tämä johtaa ( n = 1 p = 0):

${\ displaystyle n (p) = 1 + {\ frac {\ Delta N} {\ Delta p}} \, {\ frac {\ lambda} {2s}} \, p}$

Tässä N merkitsee intensiteettimaksimien määrää häiriökuviossa, p kaasun paine, käytetyn laservalon aallonpituus ja s kyvetin geometrinen polun pituus. ${\ displaystyle \ lambda}$

Aallonpituuksien mittaus

Kaksi sädekimppua ovat edelleen koherentteja, jos niiden optisen polun ero on pienempi kuin valonlähteen koherenssipituus. Jos puoliläpäisevän levyn ja peilien väliset etäisyydet ovat samat, ilmaisimelle saapuvien säteiden vaihe-ero on 0. Jos toista peilistä siirretään nyt etäisyydellä , kahden sädekimpun välillä syntyy polkuero ja valon voimakkuus muuttuu. ${\ displaystyle d}$${\ displaystyle \ Delta w = 2d}$

Jos määrität nyt häiriömaximien määrän siirtymäreitillä , aallonpituus voidaan helposti laskea, koska seuraava pätee aina: ${\ displaystyle z}$${\ displaystyle \ Delta d}$${\ displaystyle \ lambda}$

${\ displaystyle \ Delta d = {\ frac {\ lambda} {2}} z.}$

nettilinkit

• Pituuden muutoksen määrittäminen ( Memento 22. kesäkuuta 2006 Internet-arkistossa ) (Real-Video 6.9 MB)
• FTIR-spektroskopian periaate
• Tee DIY-ohjeet Ligon verkkosivustolta
• Michelsonin interferometri yksittäisillä fotoneilla

Yksittäiset todisteet

1. ^ John Lawall, Ernest Kessler: Michelsonin interferometria kello 22 tarkkuudella . Julkaisussa: Review of Scientific Instruments . nauha 71 , ei. 7 , 2000, s. 2669-2676 , doi : 10.1063 / 1.1150715 .