Bau eines Michelson-Interferometer im Labor: Anleitung zur Montage und Ausrichtung

Was ist ein Michelson-Interferometer?

Ein Michelson-Interferometer ist ein optisches Instrument, mit dem sehr kleine Entfernungen, Änderungen des Brechungsindex oder Wellenlängen von Licht gemessen werden können. Es verfügt über einen einfachen interferometrischen Aufbau mit einer kohärenten Lichtquelle, einem Strahlteiler und zwei Spiegeln. Bei diesem Design wird die kohärente Lichtquelle zunächst mit Hilfe des Strahlteilers geteilt. Die beiden Strahlen legen leicht unterschiedliche Strecken zurück, bevor sie von den Spiegeln reflektiert werden und zum Strahlteiler zurückkehren, wo sich die beiden Strahlen wieder vereinigen. Ist der Unterschied zwischen den Weglängen der beiden Strahlen kleiner als die Kohärenzlänge der Quelle, entstehen Interferenzringe, die für präzise Messungen der oben genannten Parameter genutzt werden können. Da die Kohärenzlänge einer Lichtquelle extrem klein sein kann, sind präzise Komponenten und eine präzise Ausrichtung entscheidend.

Bau eines Michelson-Interferometers mit Standard-Laborkomponenten

Dieser Anwendungshinweis beschreibt den Laboraufbau eines Michelson-Interferometers unter Verwendung von lagerhaltigen Komponenten von Edmund Optics^®. Das Setup ist als schnelle, kostengünstige Lösung konzipiert und ermöglicht den Aufbau eines Michelson-Interferometers in praktisch jeder Laborumgebung. Alle erforderlichen Komponenten können von einem einzigen Lieferanten bezogen werden, was die Beschaffung vereinfacht. Die Laborversion eines Michelson-Interferometers dient zur Demonstration des Grundprinzips der Interferometrie, die in Wissenschaft und Industrie weit verbreitet ist.

Teileliste für Michelson-Interferometer

In der folgenden Tabelle finden Sie eine Auflistung aller Produkte, die Sie für den Aufbau Ihres Michelson-Interferometers benötigen, mit der jeweiligen Produktnummer und Menge:

Baugruppe	Für den Zusammenbau benötigte Produkte	Produktnummer Edmund Optics	Benötigte Menge
Aufbaubasis für Optiken	Kompakte Optik-Schiene, 100 mm Länge	54-927	5
Aufbaubasis für Optiken	Montageplatte, 300 x 300 mm	54-638	1
Stangen	Mikroreiter, 15 mm Länge x 35 mm Breite	54-930	5
	Stangenhalterung, 50,8 mm Länge, M6-Gewinde	58-972	5
	Stahlstange, 76,2 mm Länge, M6-Außengewinde	59-761	5
Strahlteiler-Baugruppe	Prismenhalter	53-030	1
Strahlteiler-Baugruppe	Strahlteilerwürfel, 25 mm, 50R/50T	32-505	1
Laser-Baugruppe	Kinematische runde Halterung der E-Serie, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser	15-866	1
	Adapter , 19,1 mm Innendurchmesser, E-Serie	18-291	1
	Laser, 520 nm, 10 mW oder 1mW	26-938 (10 mW) oder 72-817 (1 mW)	1
Spiegel-Baugruppen	Kinematische runde Halterung der E-Serie, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser	15-866	2
Spiegel-Baugruppen	λ/10-Spiegel, 25,4 mm Durchmesser, Protected Silber	39-208	2
Beobachtungsschirm	Dünne Spiegelhalterung, SM2, 50,0/50,8 mm Optikdurchmesser	17-716	1
Beobachtungsschirm	Weißes Diffusionsglas	34-475	1
Strahlaufweiter-Baugruppe	Dünne Spiegelhalterung, SM1,, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser, M4	13-787	1
Strahlaufweiter-Baugruppe	Plankonkave (PCV) Linse, 25 mm Durchmesser, -25 FL, VIS-0°-Beschichtung	47-911	1

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Aufbau eines Michelson-Interferometers für Laborexperimente

Schritt 1 – Die optische Basis

Montieren Sie die kompakte Optik-Schiene mit einer Länge von 100 mm auf die Montageplatte wie in Abbildung 1 gezeigt. Der durchgehende Schienenabschnitt ist der optische Pfad mit Spiegel, Strahlteiler, Strahlaufweiter und Beobachtungsschirm.

**Abbildung 1:** Kompakte Optik-Schienen auf einer Montageplatte.

Schritt 2 – Montage der Stangen

Als nächstes erfolgt die Montage der Stangenhalterungen: Befestigen Sie die fünf TECHSPEC^® Stangenhalterungen mit Inbusschrauben (M6x1,0) an den Mikroreitern, wie in Abbildung 2 gezeigt. Abbildung 3 zeigt die fertige Baugruppe.

**Abbildung 2:** Inbusschraube zur Verbindung von Stangenhalterung und Mikroreiter.

**Abbildung 3:** Stangenhalterung auf Mikroreiter montiert.

Schritt 3 – Montage des Lasers

Für die Montage des Lasers montieren Sie den ID-Adapter der E-Serie in die kinematische Halterung der E-Serie und setzen dann den Laser ein und ziehen die Feststellschraube fest, wie in Abbildung 4 gezeigt. Der in der obigen Tabelle empfohlene Laser mit der Produktnummer 26-938 wird mit 10 mW verkauft. Aus Sicherheitsgründen können Sie mit der Laser-Software die Ausgangsleistung auf nur 1 mW reduzieren. Ein roter Diodenlaser oder ein vergleichbarer Laser mit geringer Leistung, wie z. B. die Produktnummer 72-817, könnte, je nach Verfügbarkeit und Budget, ebenfalls eine gute Wahl sein. Zu erwähnen ist, dass Diodenlaser eine für Lehrzwecke ausreichende Kohärenz besitzen, wie Sie in diesem Experiment sehen werden. Abbildung 5 zeigt die an einer Stange montierte Laser-Baugruppe.

**Abbildung 4:** Laser in kinematischer Halterung montiert.

**Abbildung 5:** Stange, die mit dem Laser an der kinematischen Halterung befestigt ist.

Schritt 4 – Spiegel-Baugruppen

Verwenden Sie für die Montage der Spiegel eine Feststellschraube, um die Optik in der kinematischen Halterung der E-Serie zu befestigen. Befestigen Sie die Stangen an den kinematischen Halterungen. Für einen schnellen Wiederzusammenbau können Sie TECHSPEC^® Stangenklemmringe (Produktnummer 58-992) verwenden, wie in Abbildung 6 gezeigt.

**Abbildung 6:** M6-Gewindestange mit Stangenklemmring, der in die kinematische Halterung der E-Serie mit Spiegel geschraubt ist.

Schritt 5 – Montage der Baugruppe von Laser und Spiegeln

Nun können Sie die Laser-Baugruppe und eine der Spiegel-Baugruppen auf die gegenüberliegenden Schienen montieren, wie in Abbildung 7 gezeigt.

**Abbildung 7:** Ausrichten des ersten Spiegels

Stellen Sie die Schrauben an der Halterung ein, um den Spiegel auszurichten und den Strahl direkt zurück auf den Laser zu reflektieren. Versuchen Sie, den Spiegel so senkrecht wie möglich zum Laser zu bringen. Bei diesem Aufbau ist ein wenig Rückreflexion in den Diodenlaser nicht allzu schädlich, da die Leistung des Lasers nicht sehr hoch ist.

Verschieben Sie als nächstes den ersten Spiegel auf die durchgehende Schiene. Der Stangeklemmring hilft dabei, die Höhe beim Ausrichten des zweiten Spiegels konstant zu halten. Wiederholen Sie den Ausrichtungsvorgang mit dem Laser für den zweiten Spiegel (siehe Abbildung 8).

**Abbildung 8:** Ausrichten des zweiten Spiegels

Schritt 6 – Montage des Strahlteilers

Nun müssen Sie die Halterung für den Strahlteilerwürfel zusammenbauen. Die Prismenhalter mit der Produktnummer 53-030 von Edmund Optics^® benötigt für die Montage an der Stange einen 1/4-20 Gewindeadapter (siehe Abbildung 9). Verwenden Sie beim Umgang mit dem TECHSPEC^® Strahlteilerwürfel unbedingt Fingerlinge, um Schmutz und Fingerabdrücke zu vermeiden.

**Abbildung 9:** Der Prismenhalter wird mit einem 1/4-20-Gewindeadapter teilweise an die Stange geschraubt.

Die Anordnung des Strahlteilerwürfels ist in Abbildung 10 dargestellt, wobei 50% des Lichts von der Hypotenuse auf den ersten Spiegel im Winkel von 90 Grad reflektiert werden. Bringen Sie das obere Ende der Strahlteilerhalterung in die Mitte des Strahlteilers und ziehen Sie den Würfel vorsichtig fest (Abbildung 11).

**Abbildung 10:** Platzierung des Strahlteilerwürfels

**Abbildung 11:** Prismenhalterung mit eingesetzter Klemme

Schritt 7 – Zusammenbau der Strahlaufweiterbaugruppe

Montieren Sie dann den Strahlaufweiter und den Beobachtungsschirm (vollständige Baugruppe siehe Abbildung 12). Nach dem Zusammenbau setzen Sie die beiden Reiter und Stangehalter hinter dem Strahlteiler ein und fügen zunächst den Beobachtungsschirm hinzu. Vergewissern Sie sich, dass die beiden Strahlen ungefähr auf dem Beobachtungsschirm liegen, bevor Sie die Aufweitungslinse zwischen Strahlteiler und Beobachtungsschirm anbringen.

**Abbildung 12:** Weißes Diffusionsglas, montiert in einer dünnen Optik-Halterung.

Abbildung 13 zeigt den endgültigen Aufbau. Stellen Sie die kinematischen Knöpfe an den Spiegeln ein, um die beiden Strahlen auszurichten, und sehen Sie sich das Interferenzmuster auf dem Beobachtungsschirm an.

**Abbildung 13:** Endgültige Konfiguration und Ausrichtung

Finale Anpassungen

Wenn die beiden Spiegel perfekt ausgerichtet sind, so dass ihre Oberflächen genau senkrecht zueinander stehen, bleiben die optischen Wegunterschiede zwischen den Spiegelflächen konstant. Als Ergebnis sieht der Beobachter ein Interferenzmuster, das aus konzentrischen Ringen oder Interferenzringen besteht. Wenn einer der Spiegel entlang der Schiene bewegt wird, ändert sich die Weglänge, wodurch sich die Ringe verschieben. Diese Verschiebung des Interferenzmusters kann genutzt werden, um Änderungen der optischen Weglänge zu messen. Wenn eine Gaszelle in einen der Arme eingesetzt wird, kann die Musterverschiebung analysiert werden, um den Brechungsindex des Gases zu bestimmen. Auch die Brechungsindizes anderer Materialien können nach ähnlichen Prinzipien gemessen werden, wenngleich der Aufbau und die Messverfahren komplexer werden. Zur Messung der Wellenlänge wird folgende Gleichung verwendet: λ=2⋅Δd / N, wobei λ die unbekannte Wellenlänge, Δd die Spiegelverschiebung und N die Anzahl der beobachteten hellen oder dunklen Ringe ist.

Wenn Sie ausführlichere Informationen über Interferometrie oder Interferometer suchen, folgen Sie bitte den Links unter diesem Anwendungshinweis. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an uns!

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