1. Ersatz für den Fresnelschen Doppelspiegelversuch:

Anders als im Original wird kein Doppelspiegel benutzt, sondern es werden der direkte Laserstrahl und ein ganz flach an einer Glasplatte gespiegelter Strahl zur Interferenz gebracht.

Material: Helium-Neon-Laser, Stromversorgung ca. 8V-, drehbar gelagerte Glasplatte, Linse eines alten Fotoapparats  (zur Not: Phywe-Linse +20mm), Linse +100mm aus Schülerbaukästen, ca. 8cm hohe Unterlage für die zweite Linse, Stativmaterial.

Aufbau: Hinter dem Laser stehen entlang der optischen Achse der Reihe nach die Glasperle / Linse mit geringer Brennweite, die Glasplatte (in ca. 10cm Abstand von Laser) und die Linse mit größerer Brennweite. Der ganze Aufbau befindet sich in etwa 3m Entfernung von der Wand.

Durchführung: Ziel des Versuchs ist die experimentelle Bestimmung der Wellenlänge des Lasers (theoretischer Wert: l = 6.3·10^-7 m). Zunächst erscheinen an der Wand zwei einzelne Bilder. Durch geschickte Drehung der Glasscheibe können diese zur Deckung gebracht werden, so dass ein Interferenzmuster erscheint.

An diesem Interferenzmuster wird der Abstand a benachberter Maxima (als Mittelwert einer Messung über 6 bis 10 Intensitätsmaxima) gemessen. In einem zweiten Teilversuch wird mit Hilfe der Linsengleichung die Ausdehnung der Lichtquelle als Gegenstandsgröße G ermittelt: Dazu entfernt man die vordere Linse aus dem Strahlengang und verschiebt die zweite Linse so, dass man zwei deutliche Bielder der Quelle erhält. Dann ist die Gegenstandsweite g als Brennweite der Linse gegeben, die Bildweite b kann als Abstand "Linse-Wand" und die Bildgröße B als Abstand zweier Punkte auf der Wand gemessen werden. Damit ergibt sich die gesuchte Wellenlänge als l = a · G / b .

Probemessung: a = 6 mm , b = 3.44 m , B = 1.4cm => G = 4.1·10^-4 m , l = 7.2·10^-7 m

2. Beugung an Omas Gardine:

Die Grundidee des Versuchs ist es, dass Laserlicht an feinem, gitterförmigem Gardinenstoff zu beugen. Dann kann durch Vergleich des direkten Gitterbildes mit dem Beugungsbild entweder die Wellenlänge des Lasers experimetell bestimmt oder (unter Benutzung des theoretischen Wertes) die Gitterkonstante auf zwei unterschiedliche Arten gemessen werden.

Material: Helium-Neon-Laser, Stromversorgung ca. 8V-, in Diarahmen eingespannter Gardinenstoff, Linsen +100mm (Schülerbausätze) und +20mm (Phywe), Stativmaterial

Aufbau: Zur Untersuchung des direkten Gitterbildes wird der Diarahmen mit dem Gardinenstoff in etwa 40cm Entfernung vom Laser in den Strahlengang gestellt. Im durch die Brennweite vorgegebenen Abstand (bei den Schülerlinsen eher etwa 11.5cm) folgt die +100-Linse. Das Gitterbild erscheint dann auf der etwa weitere 3m entfernten Wand. Zur Untersuchung des Beugungsbildes muss der Laserstrahl mit Hilfe eines Teleskop-Ersatzes fokussiert werden: Zwischen Laser und Gardinengitter werden in 12cm Entfernung voneinander die +20- und die +100-Linse in der Strahlengang eingefügt. Etwa 3m hinter dem Gardinengitter kann das Beugungsbild an der Wand ausgemessen werden.

Durchführung: Zunächst wird das direkte Bild des Gardinengitters auf der Wand erzeugt.

Dort misst man den Gitterabstand als Bildgröße B. Wird zusätzlich die Entfernung "Linse-Wand" als Bildweite b gemessen, so kann die Gitterkonstante G über die Brennweite g aus der Linsengleichung berechnet werden. Als Nächstes beugt man den mit Hilfe der Teleskoplinsen fokussierten Laserstrahl am Gardinengitter und vermisst das Beugungsbild an der Wand.

Man erhält zum Beispiel hinreichend deutlich die Abstände a₁ und a₂ der Hauptmaxima erster und zweiter Ordnung. Über sin(a_n) = a_n / sqrt (a_n²+ b²) und die Gitterformel sin(a_n) = n · l / G lässt sich dann die Wellenlänge G aus der Gitterkonstante l berechnen oder umgekehrt.

Probemessung: B = 1cm , b = 3.15m => G = 3.17·10^-4m und a₁ = 0.6cm , a₂ = 1.2cm => l = 6.0·10^-7 m

3. Messung des Rillenabstands einer CD:

Der Laserstrahl wird an einer Compact Disc reflektiert, so dass die Rillen als Gitter wirken und der Rillenabstand als Gitterkonstante aus dem Beugungsbild ermittelt werden kann.

Material: Helium-Neon-Laser, Stromversorgung ca. 8V-, CD (vorzugsweise ein ausrangiertes MicroSoft- Produkt), zwei Bildschirme aus den Schülerbausätzen, Stativmaterial

Aufbau: Etwa einen halben Meter vom Laser entfernt wird die CD so befestigt, dass der Laserstrahl ihre Rillen möglichst genau auf halber Höhe neben dem Loch trifft. Links und rechts neben dem Laser werden die Bildschirme aufgestellt, um die Beugungsmaxima erster Ordnung aufzufangen.

Durchführung: Die CD wird so ausgerichtet, dass das Hauptmaximum genau in den Laser zurückfällt. Die Beugungsmaxima erster Ordnung liegen dann auf der linken und rechten Seite gleichweit vom Laser entfernt. Entscheidend ist, dass der Laserstrahl die CD genau in Lochhöhe trifft, damit die Rillen wie parallele vertikale Gitterlinien wirken. Das ist der Fall, wenn sich die beiden Beugungsmaxima auf den Bildschirmen genau in der gleichen Höhe befinden. Dann werden der Abstand 2a der beiden Beugungsmaxima voneinander und der Abstand d der CD vom Laser gemessen. Der Rillenabstand ergibt sich als Gitterkonstante g aus a / d = tan(a) ~ sin(a) und sin(a) = n · l / g mit n = 1 und l = 6.3·10^-7 m.

Probemessung: 2a = 43cm , d = 54cm => g = 1.6·10^-6 m

4. "Michelson goes Lego"

Das Michelson-Experiment zum (fehlgeschlagenen) Äther-Nachweis über die Interferenz zweier Lichtstrahlen mit verschiedenen Ausbreitungsrichtungen war bahnbrechend für die moderne Physik. Hier wird es mit Laserlicht und einem vergleichsweise einfachen, vor allem aber kostengünstigen und handlichen Legoplattenaufbau als Schülerexperiment realisiert!

Material: Helium-Neon-Laser, Stromversorgung ca. 8V-, Legoplatte mit halbdurchlässigem Spiegel und zwei einfachen Spiegeln in Michelson-Position, höhenverstellbare "Lego-Linse", von oben in den Aufbau einzufügende drehbar gelagerte Glasplatte, Stativmaterial

Aufbau: Der Laserstrahl führt durch die Linse und trifft im 45°-Winkel auf den halbdurchlässigen Spiegel in der Mitte der Lego-Platte. Der durchgelassenen Teilstrahl trifft hinter dem halbdurchlässigen Spiegel senkrecht auf Spiegel 1, der im 90°-Winkel reflektierte Teilstrahl trifft senkrecht auf Spiegel 2, der sich neben dem halbdurchlässigen Spiegel befindet. Die drehbare Glasscheibe wird zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel und Spiegel 1 von oben in den Strahlengang eingefügt und dient als Strahlteiler. Gegenüber von Spiegel 2 entsteht an der Wand Interferenzbild der beiden Teilstrahlen.

Durchführung: Der Beobachter befindet sich hinter Spiegel 2 und blickt auf das Interferenzmuster an der Wand. Durch Drehung der Glasplatte kann er die Entstehung neuer Interferenzringe an der Wand steuern und beobachten. Gleichzeitig lässt sich der Drehwinkel mit Hilfe des zusätzlichen Beugungsbildes ermitteln, das bei der Drehung der Glasplatte entsteht.

Das sind die von uns verwendeten He-Ne Lasermodule. Sie sind ca 16 cm lang und haben eine Leistung < 1mW (Laserklasse 2). Zur Stromversorgung benötigt man ein Netzgerät mit 12-14 V Gleichspannung. Wir verwenden dafür Schülernetzgeräte. Aber Steckernetzteile mit Stromstärken > 800 mA sind ebenfalls geeignet. Die Module kosten ca. 60 DM und können über eine Firma mit der URL www.es-laser.de bezogen werden. Sie haben eine bessere Strahlqualität als Diodenlasermodule, mit den man die beschriebenen Versuche ebenfalls durchführen kann.