Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WET, Politechnika Gdaoska Gdańsk 006
1. Wstęp Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym wykorzystaniem interferometru Michelsona do pomiaru amplitudy drgań membrany głośnika.. nterferencja światła nterferencja jest zjawiskiem fizycznym charakterystycznym dla ruchu falowego i występuje przy nakładaniu się fal o tej samej częstotliwości. Wskutek interferencji następuje wzmacnianie się amplitudy drgań w obszarach, gdzie różnica faz nakładających się fal jest równa wielokrotności π oraz wygaszenie amplitudy gdy ta różnica wynosi nieparzystą wielokrotność π. Dla fal o amplitudach zespolonych: A 1 = E 1 exp(jφ 1 ) (1) A = E exp(jφ ) gdzie: E 1, E amplitudy wektora natężenia pola elektrycznego odpowiednich fal, φ 1, φ fazy odpowiednich fal, zależność natężenia od wzajemnej różnicy faz opisuje równanie: 1 1 1 A A cos () gdzie: <> - oznacza uśrednianie w czasie, φ = φ 1 - φ różnica faz pomiędzy falami, 1 = E 1, = E natężenia odpowiednio fali 1 i Człon 1 cos z równania () wyraża zmiany natężenia związane ze zjawiskiem interferencji i dlatego też jest nazywany często członem interferencyjnym. Przedstawiony powyżej opis zakłada, że interferujące ze sobą fale są monochromatyczne i różnica faz pomiędzy nimi jest stała. W praktyce warunek ten jest trudny do spełnienia, ze względu na losowe skoki fazy występujące w czasie emisji światła. Dlatego też w celu uzyskania interferencji wykorzystuje się dwie fale pochodzące z tego samego źródła. Dla wartości różnicy faz φ mniejszych od π losowe skoki fazy mają pomijalny wpływ na wynik uśredniania w równaniu (). Gdy wartość różnicy faz wzrasta, wpływ losowych skoków fazy jest coraz większy. lościowy opis tego zjawiska dokonywany jest przy pomocy dwóch wielkości: czasu koherencji i drogi koherencji. Czas koherencji t c definiuje się jako średnią wartość czasu pomiędzy dwoma kolejnymi skokami fazy fali emitowanej przez źródło. Droga koherencji l c jest równa iloczynowi czasu koherencji t c i prędkości światła w próżni c: lc tc * c (3) Czas koherencji można wyznaczyć znając rozkład widmowy źródła światła korzystając ze wzoru: 1 t (4) c gdzie: Δν szerokość widma częstotliwościowego fal emitowanych przez źródło. Można wykazać, że warunkiem zaobserwowania interferencji dwóch fal pochodzących z tego samego źródła jest, aby różnica ich dróg optycznych była mniejsza od drogi koherencji źródła. W przeciwnym wypadku (różnica dróg optycznych była większa od drogi koherencji) interferencja nie będzie obserwowana. Laboratorium techniki laserowej Strona
W przypadku, gdy różnica dróg optycznych jest znacznie mniejsza od drogi koherencji, natężenie promieniowania jest opisane równaniem (). Gdy warunek ten nie jest spełniony, można wykazać, że równanie () przyjmuje postać: 1 1 * 1 A A V l cos (5) gdzie V(Δl) tzw. widzialność prążków dana wzorem: max min V (6) max min gdzie: max i min są odpowiednio maksymalną i minimalną wartością natężenia promieniowania dla zmian różnicy faz π, Δl różnica dróg optycznych pomiędzy interferującymi falami. W tablicy 1 przedstawiono długości drogi koherencji wybranych źródeł światła. Porównując przedstawione w niej wartości widzimy, że najdłuższą drogą koherencji charakteryzuje się jednomodowy laser He-Ne. Dlatego też laser ten, podobnie jak wielomodowy laser He-Ne, jest często używany w pomiarach i doświadczeniach wykorzystujących zjawisko interferencji. Tablica 1. Wartości drogi koherencji wybranych źródeł światła. ŹRÓDŁO DROGA KOHERENCJ światło słoneczne (λ=0.4-0.8 µm) 0.8 µm LED (Ji=1 nm, A?,=50 nm) 0 µm niskociśnieniowa lampa sodowa 600 µm wielomodowy laser He-Ne jednomodowy laser He-Ne 0 cm 300 m 3. nterferometr Michelsona Zjawisko interferencji światła znalazło zastosowanie w interferometrach przyrządach optycznych służących do pomiaru niewielkich zmian odległości, drgań, zmian współczynnika załamania oraz długości fali. Jednym z najbardziej znanych i rozpowszechnionych interferometrów jest interferometr Michelsona, przedstawiony na rysunku 1. Jego zasada działania jest następująca. Wiązka światła emitowana przez laser po przejściu przez dzielnik promieniowania BS zostaje rozdzielona na dwie spójne wiązki: wiązkę odniesienia i wiązkę pomiarową. Wiązka odniesienia, po odbiciu się od zwierciadła Z1 i ponownym przejściu przez dzielnik promieniowania pada na detektor D. Podobnie, po odbiciu od zwierciadła Z i przejściu przez dzielnik promieniowania, wiązka pomiarowa pada na detektor D (najczęściej fotodioda typu PN), interferując z wiązką odniesienia. Sygnał z detektora jest proporcjonalny do natężenia promieniowania, opisanego równaniem (5). Laboratorium techniki laserowej Strona 3
Rysunek 1. Schemat interferometru Michelsona. Załóżmy, że obie wiązki mają takie same natężenie 1 = = 0, oraz że różnica ich dróg optycznych Δl jest znacznie mniejsza od długości drogi koherencji. Wtedy natężenie promieniowania na detektorze można opisać wzorem (), który przyjmuje postać: l 0 1 cos (7) gdzie λ długość fali lasera. Natężenia promieniowania na detektorze w tym wypadku w funkcji różnicy dróg optycznych przedstawiono na rysunku. Rysunek. Natężenie promieniowania na detektorze w funkcji różnicy dróg optycznych interferujących wiązek. Droga optyczna wiązki odniesienia jest równa podwojonej odległości między punktem przejścia wiązki przez dzielnik wiązki BS i zwierciadłem Z1 (światło pokonuje ten dystans dwukrotnie) i nazywana jest długością ramienia odniesienia. Podobnie, droga optyczna wiązki pomiarowej jest równa podwojonej odległości między punktem przejścia wiązki przez dzielnik wiązki BS i zwierciadłem Z i nazywana jest długością ramienia pomiarowego. Zatem różnica dróg optycznych pomiędzy interferującymi falami jest równa podwojonej różnicy długości ramion interferometru. Ze wzoru (7) i rysunku widać, że przesunięcie zwierciadła Z o λ/ spowoduje zmianę różnicy faz interferujących fal wynoszącą π (jeden prążek interferencyjny). Zatem układ ten jest w stanie mierzyć przesunięcia z dużą dokładnością. Dokładność ta zależy od zastosowanego sposobu detekcji fazy i może wahać się od pojedynczych nanometrów do setek nanometrów. Laboratorium techniki laserowej Strona 4
4. Pomiar amplitudy drgań mechanicznych membrany głośnika Pomiar drgań membrany głośnika wykonywany jest w układzie przedstawionym na rysunku 3. Rysunek 3. Układ do pomiaru amplitudy drgań membrany głośnikowej. W interferometrze Michelsona zwierciadło Z, wykonane z cienkiej płytki szklanej pokrytej warstwą srebra, przyklejono do membrany głośnika. Głośnik ten jest pobudzany z generatora mocy m.cz. przebiegiem harmonicznym o regulowanej częstotliwości i amplitudzie napięcia wyjściowego. Napięcie przyłożone do zacisków głośnika powoduje zmianę położenia jego membrany, a tym samym zmianę położenia zwierciadła Z. Położenie zwierciadła Z d(t)może być opisane wzorem: d t d cos t 0 (8) gdzie: d amplituda wychylenia membrany, φ 0 faza początkowa, ω pulsacja sygnału z generatora. Zmiana różnicy dróg optycznych Δl interferujących wiązek odpowiadająca skrajnym położeniom membrany jest równa: l 4 d (9) Znając liczbę prążków interferencyjnych N przypadających na jeden okres przebiegu pobudzającego możemy wyznaczyć amplitudę wychylenia membrany d korzystając ze wzoru: N d (10) Określenie liczby prążków przypadającej na jeden okres sygnału pobudzającego będzie dokonywane w ćwiczeniu przy pomocy oscyloskopu. Można przyjąć, że dokładność określenia wartości N w taki sposób nie jest lepsza niż ¼. Powoduje to znaczną niepewność określenia wartości amplitudy d. Poprawę dokładności pomiaru amplitudy d można uzyskać wykorzystując liniowy charakter zależności wychylenia membrany od amplitudy napięcia sterującego oraz to, że ustawienie całkowitej liczby prążków można dokonać z dużo lepszą dokładnością (ok. 1/0) niż bezpośredniego odczytu ich liczby. W takim przypadku wynik pomiaru ma charakter wielkości unormowanej, a sam pomiar odbywa się następująco: 1. Zmieniamy napięcie sterujące w taki sposób, by otrzymać całkowitą liczbę prążków i nie przekroczyć mocy znamionowej głośnika.. Odczytujemy wartość napięcia sterującego. 3. Wyznaczamy liczbę prążków interferencyjnych N dla napięcia sterującego 1V. 4. Ze wzoru (10) wyznaczamy amplitudę wychylenia membrany d. Laboratorium techniki laserowej Strona 5
5. Przebieg ćwiczenia UWAGA!! (a) Ćwiczenie należy uruchamiać w obecności prowadzącego. (b) Ze względu na możliwość nieodwracalnego uszkodzenia wzroku należy bezwzględnie przestrzegać instrukcji BHP w części dotyczącej urządzeń laserowych. 1. Włączyć zasilacz lasera.. Ustawić częstotliwość generatora 10 Hz. 3. Pokrętło regulacji napięcia wyjściowego ustawić na minimum. 4. Włączyć generator i odczekać aż napięcie wyjściowe ustabilizuje się. 5. Wykonać justowanie układu interferometru Michelsona, w taki sposób by interferujące wiązki padały na fotodetektor. W końcowej fazie justowania dążyć do uzyskania maksymalnej wartości amplitudy prążków interferencyjnych widocznych na ekranie oscyloskopu. 6. Dokonać pomiaru wartości amplitudy wychylenia membrany dla częstotliwości z zakresu 0 Hz 0 khz. Napięcie podawane na głośnik nie może przekroczyć 1,8V. 6. Opracowanie wyników pomiarów 1. Na podstawie pomiarów obliczyć amplitudę drgań mechanicznych, wiedząc, że długość fali światła lasera He-Ne wynosi 633 nm.. Wykreślić zależność amplitudy od częstotliwości w skali lin-lin i w skali log-log. 3. Oszacować względny błąd określenia amplitudy. 4. Wyjaśnić zależność amplitudy drgań od częstotliwości dla bezpośredniego zliczania prążków i dla pomiaru względnego. 5. Podać zastosowanie interferometrycznych metod pomiaru przesunięcia i drgań, wymienić ich wady i zalety w porównaniu w innymi metodami. 7. Literatura M.Born, E.Wolf: Principles of Optics, (7 th ed.) 1999. B.Saleh, M.Teich: Fundamentals of Photonics, 1991. E.Hecht: Optics, 1987. Sz.Szczeniowski: Fizyka Doświadczalna, t.4, Optyka, 1960. A.Piekara: Nowe oblicze optyki, 1976. Laboratorium techniki laserowej Strona 6