EXP:Analogieexperiment Knaller-Test

Mit dem Knaller-Test kann ein Objekt im Strahlengang einer Einzelphotonenquelle nachgewiesen werden, ohne direkt mit einem Photon wechselzuwirken. In diesem Analogieexperiment verwendet man einen Laser als kontinuierliche Lichtquelle statt der Einzelphotonenquelle und übersetzt die Wahrscheinlichkeitsdichte einzelner Photonen durch die gemessene Intensität des Lichts.

Benötigtes Material

• Thorlabs Stativmaterial
• 2 Spiegel
• Strahlteiler
• Laser
• Photodiode
• Oszilloskop

Versuchsaufbau

Mit den Spiegeln, dem Laser und dem Strahlteiler wird, wie in der Abbildung 1 gezeigt, ein Michelson-Interferometer aufgebaut. Als Detektor wird eine Photodiode verwendet. Um Umgebungslicht möglicht gut abzuschirmen wird an die Photodiode ein Lensetube geschraubt. Eine Sammellinse bündelt das einfallende Licht auf die Detektorfläche. Die Photodiode kann über ein Oszilloskop oder ein Spannungsmessgerät ausgelesen werden.

Aufbau des Michelson-Interformeters mit Photodiode. Im Versuchsteil 1 befindet sich die ,,Bombe" außerhalb des Strahlengangs. Im Versuchsteil 2 befindet sich die ,,Bombe" im Strahlengang.

Auswertung

Mit freiem Strahlengang hat die Photodiode eine Spannung von 6V gemessen. Da es sich um ein Michelson-Interferometer handelt, entspricht dies 50% der gesamten Intensität des Lasers (3. Bereich im Bild). Beim platzieren der Bombe im Strahlengang wurden 3V gemessen, was 25% der gesamten Intensität entspricht (2. Bereich im Bild).

Zu sehen ist auf dem Oszilloskop der zeitliche Verlauf der von der Photodiode gemessenen Spannung. Im 1. Bereich wurde der Laser komplett blockiert. Im 2. Bereich wurde, wie in der oberen Abbildung zu sehen, die Bombe in einen der 2 Spiegelstrahlengänge platziert. Im 3. Bereich sich kein Objekt im Strahlengang.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Beim Knaller-Test wird eigentlich ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet. Mit diesem Aufbau wird beim Platzieren eines Knallers im Strahlengang insgesamt noch 25% der Ursprünglichen Intensität gemessen. Beim Versuchsaufbau mit dem Michelson-Interferometer gehen jedoch 50% der Intensität verloren, da sie vom Strahlteiler zurück zum Laser geworfen werden. Somit misst man beim Platzieren eines Knallers 50% im Vergleich zur Messung ohne Knaller, was insgesamt wieder 25% der Intensität des Lasers entspricht.

Es handelt sich hier um ein Analogieexperiment zu Quanteneffekten. Allerdings können die Ergebnisse dieses Experiments auch klassisch erklärt werden. Daher muss intensiv auf die Übersetzung der Analogie (Intensität entspricht Wahrscheinlichkeit) eingegangen werden, da die SuS ansonsten in Versuchung geraten, das Verhalten von Photonen klassisch erklären zu wollen.

Sicherheitshinweise

Beim Arbeiten mit Laser ist stets darauf zu achten, zur Justage Beamblocker zu verwenden. Handschmuck wie Ringe oder Uhren sollten abgelegt werden, um ungewollte Reflexionen zu vermeiden.

Fotos

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       Aufbau
  

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       Erbegbiss
  

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