12  Das Michelson Interferometer als Fourier-Spektrometer

12.1  Lernziele

Michelson-Interferometer werden (in Verbindung mit Digital-Rechnern) heute als Spektrometer im Gebiet des mittleren und fernen Infrarot verwendet. In den hier durchzuführenden Experimenten wird sichtbares Licht verwendet, um den Versuch anschaulicher zu machen. Der Versuch soll Einblicke vermitteln in

1. die Wellenatur des Lichtes
2. die Form der Spektrallinien
3. die Fouriertransformation
4. den optischen Aufbau eines Interferometers
5. die analoge Signalaufbereitung

12.2  Lerninhalte

Der folgende Stichwortkatalog soll die Lerninhalte umreißen und gleichzeitig als Richtlinie für die Vorbereitung dienen: Kohärenzlänge, Linienverbreiterung, Interferenzterm, Fouriertransformation, Faltung, Shift-Theorem, Weißlichtposition, Auflösungsvermögen, Throughput- und Multiplexvorteil, Photomultiplier.

12.3  Aufgaben

1. 1. Justieren Sie das Interferometer nach der unter 5. angegebenen Justieranleitung.
   2. Messen Sie das Interferogramm des He-Ne-Lasers bei vier verschiedenen Stellungen der Spindel. Bestimmen Sie daraus die Wellenlänge des Lasers. Um systematische Fehler zu eliminieren, können Sie nun mit der genau bekannten Wellenlänge des Lasers den wirksamen Spindelvortrieb bestimmen.
   3. Nehmen Sie die Einhüllende des divergenten Laserlichts auf (f » 100). Berechnen Sie aus der Einhüllenden den Öffnungswinkel des Lichtstrahls und vergleichen Sie das Ergebnis mit der Geometrie des Aufbaus.
2. 1. Justieren Sie den Kollimator mit Hilfe des Laserstrahls.
   2. Registrieren Sie ein Interferogramm der Na-Dampflampe wie unter 1.b), aus dem Sie die Wellenlänge des Na-Lichtes bestimmen können.
   3. Registrieren Sie das Interferogramm bei etwas langsamerer Schreibergeschwindigkeit, um den Abstand der Knoten zu ermitteln.
   4. Nehmen Sie die Einhüllende des Na-Lichtes auf.
   5. Bestimmen Sie aus den Messungen die Wellenlänge, den Abstand und das Intensitätsverhältnis der Na-Doppellinie. Ermitteln Sie Form und Halbwertsbreite der Spektrallinie (Lorenz-oder Gauß-Profil).
3. 1. Messen Sie das Interferogramm der gelben He-Linie und bestimmen Sie die Wellenlänge
   2. Registrieren Sie ebenso die Einhüllende und bestimmen Sie das Linienprofil.
4. Bestimmen Sie aus den Interferogrammen Mittenwellenlänge und Halbwertsbreite eines Interferenzfilters

12.4  Literatur

Klein, M.

Optics, J.Wiley & Sons (1970)

Born, M.

Optik, Springer-Verlag (1972)

Bell, R.J.

Introductory Fourier Transform Spectroscopy, Academic Press (1972)

Chantry, G.W.

Submillimeter Spectroscopy Academic Press (1971)

Genzel, L.

33.Physikertagung Karlsruhe 1968, Plenarvorträge, Teubner (1968)

Traving, G.

Über die Theorie der Druckverbreiterung von Spektrallinien Verlag G. Braun (1960)

Francon, M.

Moderne Anwendungen der physikalischen Optik Academic Press (1971)

Garburry, M.

Optical Physics Academic Press (1965)

Williams, Ch.

Optics A short Course for Engineers &Scientists

James,J., Sternberg, R.

The Design of Optical Spectrometers

Peach, G.

The Width of Spectral Lines, Contemporary Physics 16, 1 (1975)

Mark, H., Low, M.

Infrared Physics 15, (1975)

12.5  Hinweise

Das Laserlicht darf nur durch den Graufilter auf den Photomultiplier fallen.

Die Elektronik kann nur Signale < 5V verarbeiten. Begrenzen Sie deshalb das Photomultipliersignal durch den Graufilter, die Irisblende und die Versorgungsspannung. Kontrollieren sie das Signal an den Ausgängen A, B und C mit dem Oszillograph.

Berechnen Sie vor dem Versuch die Frequenz des zu erwartenden Signals, um den Bandpaß richtig einzustellen.

12.5.1  Justieranleitung

1. 1. Laser ohne Aufweitungsoptik mit Filter (belichteter Film)
   2. beweglicher Spiegel entfernt
   3. Schlitten in vorderer Position
   4. Laser auf Bohrung im Spiegelhalter einjustieren.
2. 1. Justierblende (grauer PVC-Block) so aufsetzen, daß Laserstrahl durch die Bohrung trifft.
   2. Schlitten in hintere Position fahren
   3. Laser so justieren, daß durch die Justierblende die markierte Mitte (Bohrung des Spiegelhalters) getroffen wird.
3. 1. Spiegel einsetzen
   2. so justieren, daß Laser in sich reflektiert wird.
4. 1. Strahlteilerwürfel aufsetzen
   2. beide Spiegel abdecken
   3. Reflex von der Oberfläche muß in den Laser zurückfallen
   4. der Würfel kann etwas gekippt werden, in dem man den Drehteller unter dem Würfel dreht.
5. 1. Strahlteiler in Spindelrichtung verschieben, bis der Laserstrahl den festen Spiegel im Zentrum trifft.
   2. 4. und 5. wiederholen, bis beide Kriterien erfüllt sind.
6. 1. festen Spiegel so justieren, daß an der Wand beide Teilstrahlen zur Deckung kommen
   2. Strahl geeignet aufweiten
   3. weiter justieren, bis konzentrisches Ringsystem sichtbar ist
   4. beweglichen Spiegel in Weißlichtposition bringen und letzten Schritt wiederholen

Ab Schritt 4. kann der Filter herausgenommen werden, um den Laserstrahl besser zu sehen.