Michelson Interferometer: Justieren für Weißlichtinterferenzen
Der Aufbau und das Justieren eines Michelson Interferometers zur Erzeugung eines Interferogramms ist eine relativ einfache Aufgabe, wenn man als Lichtquelle einen Laser verwendet. Da Interferometer lange vor der Erfindung von Lasern entwickelt und zu Präzisionsmessungen benutzt wurden, ist es selbstverständlich, dass sich Interferogramme auch mit konventionellen Lichtquellen erzeugen lassen. Versucht man das jedoch zum ersten Mal, so ist es überraschend, welcher Zeit- und Justieraufwand damit verbunden ist.
Zunächst kann man das Interferenzmuster einer konventionellen Lichtquelle aus Intensitätsgründen nicht so einfach auf einen Schirm (bzw. ein Blatt Papier oder eine Wand) projizieren wie das eines Lasers. Bei den hier beschriebenen Experimenten wurde es stattdessen durch eine Lupe (f = 10 cm), die auf den Strahlteilerwürfel gerichtet war, betrachtet bzw. fotografiert.
Bei der Verwendung eines Lasers genügt es, den Laserstrahl mit Hilfe einer Linse divergent zu machen und so den Strahlteilerwürfel auszuleuchten. Bei einer konventionellen Lichtquelle ist es günstiger, sie zunächst mit einem Stück Transparentpapier diffus zu machen, um so die unterschiedlichen Intensitäten innerhalb der Lichtquelle auszugleichen und dann mit Hilfe eines Fernglases den Strahlteilerwürfel möglichst gleichmäßig auszuleuchten.
Der größte Unterschied zwischen einem Laser und einer konventionellen Lichtquelle sind die um Größenordnungen unterschiedlichen Kohärenzlängen. Das bedeutet, dass sich die Gangunterschiede in den beiden Interferometerarmen (also die Entfernungen der beiden Spiegel vom Strahlteiler) nur um Bruchteile eines 1/10 mm unterscheiden dürfen, wenn ein Interferenzmuster zustande kommen soll.
Aufbau des Interferometers
Das eigentliche Interferometer ist auf einem Schreibtisch aufgebaut. Links ist die Lichtquelle mit Stromversorgung und Kondensoroptik zu sehen
Aufbau eines Michelson Interferometers
Oben: Der feste Spiegel auf einem Schwenkarm.
Rechts: Der bewegliche Spiegel mit einer Mikrometerschraube zur Feineinstellung der Entfernung zum Strahlteilerwürfel.Das Interferometer mit dem Lineal (aus Transparentpapier) zur Grobeinstellung der Spiegelentfernungen und der Lupe zu Betrachtung des Interferogramms. Die Lichtquelle ist hier eine grüne LED. Unmittelbar vor der LED (hier schlecht zu sehen) befindet sich ein Stückchen Transparentpapier, das den starken internen Kontrast der Lichtquelle ausgleicht.
Das Fernglas hat die Funktion eines optischen Kondensors zur besseren Ausleuchtung des Strahlteilerwürfels.Justieren der Spiegel
1. Schritt: Mit Hilfe eines Lineals wird der beweglichen Spiegel so verschoben, dass sein Abstand vom Strahlteilerwürfel gleich dem Abstand des festen Spiegels ist. (Als Lineal geeignet ist z.B. ein Streifen aus transparentem Millimeterpapier). Dann werden die Spiegel mit Hilfe der Feinstellschrauben so ausgerichtet, dass sich die Spiegelbilder der Lichtquelle (z.B. der LED) im Zentrum des Strahlteilerwürfels möglichst exakt überdecken. Bei der Kontrolle der Position der Spiegelbilder sollten Kondensor und Lupe entfernt sein.
Spiegelbilder der Lichtquelle im Strahlteiler vor und nach dem Ausrichten des beweglichen Spiegels 2. Schritt: Als Lichtquelle wird jetzt ein schwacher Lasermodul (Leistung < 1mW) verwendet. Auch hier befindet sich zwischen Laser und Kondensor ein Stückchen Transparentpapier (bzw. eine Mattscheibe). Jetzt wird der Abstand des beweglichen Spiegels so verändert, dass die Interferenzstreifen, die im Strahlteilerwürfel zu sehen sind, eine möglichst geringe Krümmung haben. Das ist am besten zu sehen, wenn der Streifenabstand groß ist, selbst wenn sich dabei der Streifenkontrast verringert.
Von links nach rechts: Zu kleiner, richtiger, zu großer Abstand des beweglichen Spiegels Hat man mit dem Justieren der Spiegel schon Erfahrung, kann der hier beschriebene 2. Schritt übersprungen werden.
3. Schritt: Nach dem eben beschrieben Schritt sollte man den beweglichen Spiegels bis wenige 1/10 mm in die richtige Entfernung vom Strahlteiler gebracht haben. Der Laser wird jetzt durch eine LED oder ein Glühbirnchen ersetzt. Wie im 1. Schritt wird nochmals kontrolliert, ob sich die Spiegelbilder der Lichtquelle genau überdecken. Dann werden der Kondensor und die Lupe wieder eingesetzt und der Spiegelabstand wird mit Hilfe der Mikrometerschraube so lange verändert, bis Interferenzstreifen zu sehen sind.
Von links nach rechts: Der Spiegel ist noch 0,02 mm von seiner optimalen Position entfernt und am linken Rand des Felds sind schwache Interferenzen zu erkennen.
Der Spiegel hat die richtige Position.
Durch Ändern der Spiegelneigung werden die Interferenzstreifen breiter und deutlicher.Verschiedene Interferenzmuster
Weißlichtinterferenzen:
Links und Mitte: Interferenzmuster eines Taschenlampenbirnchens mit unterschiedlicher Spiegelneigung.
Rechts: Das Licht, das dieses Interferenzmuster erzeugte, kam von einer ca. 2m entfernten Zimmerwand, die mit einer starken Lampe beleuchtet wurde. Rechts ist eine Zimmerpflanze zu sehen, die an dieser Wand steht.Interferenzmuster, die mit diversen LEDs erzeugt wurden:
Interferenzmuster einer blauen, einer gelben und einer roten LED. Die große Anzahl deutlich sichtbarer Streifen bedeutet, dass die gelbe und die rote LED eine vergleichsweise große Kohärenzlänge besitzen. Interferenzmuster einer grünen LED mit und ohne Farbfilter:
Interferenzmuster einer grünen LED ohne Schmalbandfilter Interferenzmuster einer grünen LED mit Schmalbandfilter
