Transcript Interferometr Fabry-perot

INTERFEROMETR FABRY-PEROT
Politechnika Śląska
Instytut Fizyki
Fizyka Techniczna, sem. VI
Rok akademicki 2010/2011
sekcja 3.
Ewa Kopeć
Magdalena Kowol
Wiktor Matysiak
PLAN PREZENTACJI
1. Wstęp teoretyczny
2. Instrukcja do ćwiczenia
3. Opracowanie wyników
4. Podsumowanie
5. Źródła grafik
6. Literatura
WSTĘP TEORETYCZNY
LASER HELOWO NEONOWY
to gazowy, atomowy generator światła, w którym ośrodkiem
aktywnym jest mieszanina gazów szlachetnych: helu (1 Tor) i neonu
(0.1 Tor), szczelnie zamkniętych w szklanej lub kwarcowej rurze
wyładowczej, na której końcach znajdują się zwierciadła płaskie w tym
jedno półprzepuszczalne, tworzące układ rezonatora optycznego.
Odległość między zwierciadłami
równa jest wielokrotności
połowy długości wzmacnianej
fali światła λ/2 (warunek
powstania fali stojącej).
Układem pompującym są
elektrody zatopione w szklanej
rurze.
WSTĘP TEORETYCZNY
Ponieważ atomy helu mają mniej elektronów łatwiej jest je
wzbudzić (stąd tak wysoka zawartość helu w mieszaninie).
Wzbudzany atom helu przechodzi ze stanu podstawowego do
stanu metastabilnego, czyli takiego, który pozostaje długo
wzbudzony. Na skutek zderzeń atomy helu przekazują energię
atomom neonu. Atom helu powraca do stanu podstawowego, a
atom neonu wzbudzany jest odpowiednio do stanu z poziomu
3s lub 2s. Przejście do tego stanu jest spowodowane niewielką
różnicą tych poziomów energetycznych atomów helu i neonu.
Intensywne wzbudzanie atomów neonu prowadzi do inwersji, w
której wzbudzonych atomów neonu więcej niż atomów w stanie
podstawowym. Z poziomu 3s dozwolone jest przejście
promieniste do poziomu 3p i 2p. Przejściu do poziomu 2p
towarzyszy emisja czerwonego światła (długości fali 632,82
nm), i to przejście jest wykorzystywane w typowym laserze
HeNe.
WSTĘP TEORETYCZNY
Interferometr Fábry – Perot - czyli
kluczowy element naszego
stanowiska.
Używany najczęściej przy
spektrometrii wysokich
rozdzielczości. Powstające prążki
są ostrzejsze, cieńsze i lepiej
rozseparowane niż te uzyskane
np. za pomocą interferometru
Michelsona. Najważniejsza
częścią tego interferometru są
dwa, częściowo przepuszczalne
zwierciadła ustawione do siebie
równolegle. Wiązka światła może
albo przejść przez zwierciadła,
albo ulec na ich powierzchniach
wielokrotnym odbiciom.
WSTĘP TEORETYCZNY
Wszystkie te wiązki interferują ze sobą. Warunkiem
otrzymania maksymalnego natężenia światła
opuszczającego interferometr jest zgodność w fazie
wszystkich wiązek. Oznacza to, że różnica dróg
optycznych pomiędzy kolejnymi wiązkami powinna
być równa całkowitej wielokrotności długości fali.
W stosowanym przez nas
module możemy zmieniać
pozycję drugiego zwierciadła
poprzez, co umożliwia
obserwację prążków przy
zmianie odległości między
zwierciadłami.
WSTĘP TEORETYCZNY
Interferencja – jest zjawiskiem nakładania się dwóch lub więcej fal. Ponieważ w
naszym przypadku wykorzystujemy interferencję fal świetlnych, w niniejszym opisie
skupimy się na interferencji fal elektromagnetycznych. Wiązka światła składa się z
oscylujących pół elektrycznego i magnetycznego. Kiedy w przestrzeni spotykają się
dwie lub więcej wiązki, pola dodają się zgodnie z zasadą superpozycji. Dla
najprostszego przypadku dwóch fal harmonicznych o jednakowych amplitudach A,
jednakowej długości fali λ i zgodnych fazach początkowych, rozchodzących się z
dwóch różnych źródeł, które leżą w odległościach odpowiednio d1 i d2 od punktu P,
zaburzenie w punkcie P opisuje wzór
y( p)  A sin(t  1 )  A sin(t  2 )
gdzie:
1 
d1

d2
2 

WSTĘP TEORETYCZNY
Gdy spełniony jest warunek
1  2  2k
gdzie k – dowolna liczba naturalna (0, 1,
2…)
to fale w punkcie p ulegają wzmocnieniu i
y( p)  A sin(t )
Gdy w pewnym punkcie P1
1  2  (2k  1)
fale się wygaszają
y( p )  0
1
Na grafice obok widzimy
efekt interferencji
dwóch fal kulistych w zależności od
długości fali i odległości ekranu od
źródła.
WSTĘP TEORETYCZNY
Fotorejestrator prążków interferencyjnych – jest to element
skonstruowany przez jednego ze studentów w ramach pracy
inżynierskiej.
Jego głównym elementem jest
sensor CMOS firmy
HAMAMATSU, model S9226.
Posiada on 1024 piksele o
wymiarach 7,8×135 μm.
Resjestruje on promieniowanie
o długości fali od 400 do 1000
nm, największą wrażliwość
wykazuje dla promieniowania
o długości 700 nm. Może
pracować w szerokim zakresie
temperatur: od -5°C do 60°C.
WSTĘP TEORETYCZNY
Wszystkie elementy stanowiska umieszczone są na granitowej
płycie, dzięki czemu ograniczamy drgania przenoszone przez
otoczenie. Umożliwia to dokładniejszy pomiar.
Instrukcja do ćwiczenia
Przygotowanie układu
Uruchamiamy laser (potrzebuje ok. 15 minut aby się rozgrzać), następnie
przecieramy szmatką nasączoną denaturatem wszystkie elementy
optyczne. Justujemy układ tak, aby wiązka lasera padała dokładnie na
środek soczewek i zwierciadeł, upewniając się, że wszystkie elementy
układu są ustawione zgodnie z modułem Fabry-Perot. Sprawdzamy czy
otrzymany obraz interferencyjny składa się z wyraźnych, koncentrycznych
okręgów.
Należy zwrócić szczególną uwagę na to,
aby w czasie kiedy nie przeprowadzamy
pomiarów okienko fotorejestratora było
zasłonięte!
Instrukcja do ćwiczenia
Analiza obrazu interferencyjnego
Umieszczamy biały ekran na tylnym uchwycie elementów wymiennych,
następnie za pomocą śruby sterującej zwierciadłem ruchomym należy
stopniowo zwiększać (lub zmniejszać) odległość między zwierciadłami.
Zaobserwować na ekranie zmiany zachodzące w obrazie
interferencyjnym. Zanotować zmiany oraz wyjaśnić, jaki jest ich sens
fizyczny.
Zmiana odległości między zwierciadłami, to inna droga pokonywana przez fale
światła. Powoduje to, że dla innych fal zachodzi interferencja
konstruktywna (spełniony jest warunek o wielokrotności połowy długości
fali
Instrukcja do ćwiczenia
Wyznaczanie długości fali światła laserowego
Zerujemy śrubę sterującą zwierciadłem ruchomym. Obracając pomału
śrubę do przesuwania zwierciadła ruchomego zliczamy ile razy (m)
układ prążków wrócił do stanu początkowego. Odczytujemy z ruchomej
części śruby zmianę odległości między zwierciadłami (d), następnie
obliczmy długość fali wiązki lasera () korzystając ze wzoru:
2d

m
Jedna podziałka na ruchomej części śruby odpowiada 0,4mm.
Instrukcja do ćwiczenia
Rejestracja natężenia prążków
Uruchamiamy komputer, fotorejestrator (najpierw należy włożyć do
kontaktu wtyczkę zasilacza, a następnie końcówkę zasilacza do gniazda
fotorejestratora) i program sterujący pracą fotorejestratora. Stosując
różne filtry rejestrujemy rozkład prążków interferencyjnych, sprawdzając
który filtr jest najlepszy.
Opracowanie wyników
Najlepsze wyniki uzyskaliśmy dla filtra Hg546 z trzema filtrami neutralnymi
ŹRÓDŁA GRAFIK
•
http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Wavepanel.png&filetimesta
mp=20060123224546
•ftp://ftp.pasco.com/Support/Documents/English/OS/OS-9255A/01207137B.pdf
• Źródła własne
LITERATURA
•ftp://ftp.pasco.com/Support/Documents/English/OS/OS-9255A/01207137B.pdf
•http://pl.wikipedia.org/wiki/Interferencja
•http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/mtk2/fizycy/126788/k4.htm
•http://www.fizyka.umk.pl/~lab2/manual/13/