EXP:Michelson Interferometer

In diesem Experiment geht es um den einfachen Aufbau eines Michelson-Interferometers. Durch dieses soll im Rahmen eines Show-Experiments die Interferenz zweier Lichtstrahlen veranschaulicht werden (sowohl optisch als auch akustisch). Darüber hinaus kann damit die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts oder auch die Brechzahl von Luft (EXP:Brechzahl_von_Luft_mit_einem_Michelson-Interferometer_bestimmen) berechnet werden.

Mögliche Einstiege in dieses Experiment

• Für SuS ist es intuitiv, dass an einem Punkt auf dem Schirm die Helligkeit steigt, je mehr Lichtquellen diesen beleuchten. Dies kann mit (Handy-) Taschenlampen geprüft werden. Mit diesem Experiment kann dies jedoch widerlegt werden. Es kann also dies als Grundfrage gestellt werden: Warum sind auf dem Schirm plötzlich dunkle Ringe zu sehen, wenn mehr als ein Lichtstrahl darauf trifft?
• Zudem kann je nach dem Kenntnisstand der SuS ein Einstieg über die Detektion von Gravitationswellen verwendet werden, für welche im Jahre 2017 ein Nobelpreis verliehen wurde. Hierbei spielt auch das Michelson-Interferometer eine sehr entscheidende Rolle.
• Ein anderer möglicher Einstieg in das Thema ist die Frage, ob Lichtwellen ein Trägermedium benötigen (Lichtäther-Theorie). Diese Theorie wurde durch das Michelson-Interferometer im Michelson-Morley-Experiment (1887) widerlegt

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Siehe Packliste Interferometer

Versuchsaufbau

Generell sollten im Folgenden diese Videos zum Umgang mit den Bauteilen beachtet werden.

Der Grundaufbau

Die optischen Komponenten sollten wie in der nebenstehenden Abbildung auf dem Breadboard montiert werden. Es ist darauf zu achten, dass die beiden Spiegel einen möglichst ähnlichen Abstand zum Strahlteiler haben sollten. Die Spiegel sollten so ausgerichtet werden, dass die beiden Strahlen dieselbe Fläche auf dem Schirm beleuchten. Durch Justage der Spiegel sowie der Stage sollte der Aufbau nun so angepasst werden, dass die Ringe des Interferenzmusters zu sehen sind.

Dieses Bild zeigt den Grundaufbau eines Michelson-Interferometers.

Erweiterung (Piezo-Stage)

Für diese Erweiterung wird die mechanische Stage, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt, durch eine Stage mit Piezo-Motor (inkl. passendem Treiber) ersetzt, wodurch die Spiegelabstände deutlich kleinschrittiger verändert werden können. Es kann zudem optional ein Frequenzgenerator an den Treiber des Piezo-Motors angeschlossen werden, um die Abstände kontinuierlich abzufahren. Es ist darauf zu achten, dass durch den Umbau des Experiments, der Aufbau erneut justiert werden muss.

Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Stage mit Piezo-Motor.

Erweiterung (Lautsprecher)

In dieser Erweiterung wird der optische Schirm des Grundaufbaus durch eine Photodiode ersetzt (siehe nebenstehende Abbildung). Es ist dabei wichtig, dass diese genau den Mittelpunkt der Ringe des Interferenzmusters detektiert. Der Ausgang der Photodiode wird nun über ein Kabel/eine Kabelkombination mit dem aktiven Lautsprecher verbunden. Optional kann der Spiegel, welcher nicht auf der Stage montiert ist, durch einen Spiegel ersetzt werden, der an einer Stimmgabel montiert ist. Außerdem kann optional ein zweiter Strahlteiler zwischen dem ersten Strahlteiler und der Photodiode platziert werden. Dadurch kann man zusätzlich das Interferenzmuster auf einem Schirm beobachtbar machen. Statt dem Schirm kann hier ebenso die Erweiterung (Oszilloskop) verwendet werden.

Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Photodiode und eines aktiven Lautsprechers.

Erweiterung (Oszilloskop)

Wie im nebenstehenden Bild zu sehen, wird der optische Schirm bei dieser Erweiterung durch eine Photodiode ersetzt. Diese sollte so positioniert sein, dass sie den Mittelpunkt des Interferenzmusters detektiert. Anschließend wird der Ausgang der Photodiode über ein BNC-Kabel mit dem Oszilloskop verbunden. Schwingungen im System können nun dadurch sichtbar gemacht werden.

Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Photodiode, welche durch ein Oszilloskop ausgelesen wird.

Versuchsdurchführung und -auswertung

Grundaufbau

Im Aufbau eines Michelson-Interferometers ist auf dem optischen Schirm das nebenstehende Interferenzmuster zu beobachten. Dieses ist auf Gangunterschiede der beiden Strahlengänge zurückzuführen, wodurch es zu konstruktiver und destruktiver Interferenz kommt. Die Ringform resultiert daraus, dass der Lichtweg einzelner Wellen in den zwei Strahlengängen mit deren Winkel zur optischen Achse variiert. Anhand dieses Grundaufbaus kann sehr gut die Empfindlichkeit des Interferometers deutlich gemacht werden. Selbst bei einer laufenden Person in der Umgebung o.ä. sind Veränderungen im Interferenzmuster erkennbar, da die Spiegelkomponenten durch diese Stöße leicht in Bewegung versetzt werden.

Interferenzmuster eines Michelson-Interferometers.

Erweiterung (Piezo-Stage)

Mit Hilfe der Piezo-Stage kann nun die Länge eines Strahlenganges minimal verändert werden. Dies kann dazu benutzt werden, die Wellenlänge des verwendeten Lasers zu bestimmen. Hierzu muss die Stage um eine bekannte Strecke s bewegt werden und dabei die Anzahl n der Auftretenden Maxima (oder Minima) gezählt werden. Die Wellenlänge des Lasers ergibt sich dann aus der Formel λ=2*s/n. Durch einen Frequenzgenerator kann das Show-Experiment in der Art und Weise optimiert werden, dass ein sich kontinuierlich veränderndes Muster zu sehen ist, wenn der Frequenzgenerator an die Stage angeschlossen wird und die Spannung langsam durchfährt.

Erweiterung (Lautsprecher)

Durch diesen Aufbau ist es möglich Schwingung im System akustisch wahrnehmbar zu machen. Diese Schwingungen im System (insbesondere der Spiegel) äußern sich durch eine schnelle Änderung im Interferenzmuster, insbesondere in dessen Mitte. Dem liegt zugrunde, dass sich durch diese Schwingungen die Lichtwege der Strahlengänge periodisch minimal ändern. Diese Intensitätsschwankungen können nun durch die Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches durch die aktiven Lautsprecher hörbar gemacht wird.

Erweiterung (Oszilloskop)

Die Änderungen des Interferenzmusters werden hierbei visuell sichtbar gemacht. Deren Entstehung kann im vorherigen Absatz zu der Erweiterung (Lautsprecher) nachgelesen werden. Sollte die Stage gleichmäßig durchgefahren werden, so ist auf dem Oszilloskop zudem ein sinusförmiger Verlauf der Intensität zu erkennen, wie im nebenstehenden Bild gezeigt.

Gemessener Intensitätsverlauf bei (näherungsweise) gleichmäßiger Bewegung der Stage.

Sicherheitshinweise

In diesem Aufbau wird mit Lasern der Klasse 2 gearbeitet. Entsprechend ist darauf zu achten, dass dieser Strahl oder dessen Reflexion nicht direkt in das Auge fällt.