Ist nur so ne Spinnerei. Bei dieser Gravitationswellengeschichte gestern
ist mir eine Idee gekommen. Eigentlich könnte man so ein
Laser-Interferometer doch auch selbst bauen. Natürlich nicht für
G-Wellen, aber z.B. um Schallwellen oder Bodenvibrationen zu messen. Ich
denke an einen Laserpointer, einen Strahlteiler, zwei halbwegs plane
Spiegel und eine Fotodiode als Detektor. Versetzt man einen der Spiegel
in Schwingungen, sollte der Detektor eine Interferenz messen können. In
der industriellen Messtechnik ist das ein Standardmessverfahren, aber
Frage ist, ob man das mit Teilen aus der Bastelkiste auch hinbekommt,
nur zum Experimentieren und Spielen. Es geht nicht um absolute
Genauigkeit, sondern um das Funktionsprinzip.
Ich spinne einfach mal ein bisschen rum: Vielleicht könnte man damit
vollkommen berührungslos die Herztöne einer Person im Raum detektieren,
oder einer Pflanze beim Wachsen zuschauen. Oder eine superempflindliche
Alarmanlage bauen, die selbst kleinste Vibrationen im Haus detektiert.
Oder zuschauen, wie sich ein Körper bei Erwärmung ausdehnt. Da die
Lichtgeschwindigkeit in der Luft von deren Dichte und damit der
Temperatur abhängt, könnte man vielleicht kleinste
Temperaturunterschiede messen.
Als Strahlteiler könnte man vielleicht ein Prisma aus einem alten
Fernglas oder einfach eine Glasplatte nehmen, und als Spiegel eben
Spiegel. Wenn es um die Messung von Schallwellen geht, würde ich das
Signal der Fotodiode ggf. analog verstärken und auf den Line-In eines
Raspberry geben. Danach könnte dann alles an Signalverarbeitung kommen,
was erforderlich ist. Für niedrige Frequenzen (z.B. bei
Temperaturausdehnung) braucht man vermutlich einen anderen ADC.
Meint mal was dazu. Comments are Welcome.
John D. schrieb:> Die Kohärenzlänge von Laserpointer-Laserdioden ist zu kurz.
Doch das geht. Die räumliche Kohärenz liegt bei billig Laserpointern im
Millimeterbereich. Die zeitliche Kohärenz weiß ich nicht.
Bis auf 1mm lassen sich die Spiegel ohne Probleme ausrichten. Die
Armlänge des IF möglichst klein halten.
Vancouver schrieb:> oder einfach eine Glasplatte nehmen,
Das geht auch, die Glasplatte teilt den Strahl halt nicht 50:50, was
aber nichts macht, das Interferenzmuster wird dann nicht so
kontrastreich.
Vancouver schrieb:> und als Spiegel eben> Spiegel.
Ja geht auch, verschlechtert aber wieder das Interferenzmuster, weil der
Laser an der Glasschicht teilweise reflektiert wird.
Ich würde den Laserstrahl vor dem Strahlteiler mit einer Linse
aufweiten, als Interferenzmuster bekommst du dann das bekannte
Ringmuster.
Jo wird schon so längere Zeit gemacht, zB. als Erdbebensensoren,
Überwachung von Atomexplosionen weltweit usw.
Die Kohärenzlänge von heutigen LASER-Dioden kann dabei durchaus
ausreichend sein, bzw. auch mit Hobbymitteln mit ertäglichen
finanziellem Aufwand wesentlich verbessert werden, siehe ECLs. Für
Hobbyexperiemente habe ich mich aber für den "alten" HeNe-LASER
entschieden da mit relativ einfachen elektronischen Mitteln und
"geringem" finanziellem Aufwand es machbar ist sie zu stabilisieren und
so Kohärenzlängen bis zu 100 Metern auch im Hobbybereich machbar sind.
Stelle es dir aber nicht so einfach vor, es ist ein realtiv teures
Hobby, besonders die optischen Komponenten muß man sich zB. bei eBay
Stück für Stück zusammen suchen. Mein Equipment zB. hat mich zB. für
zwei HeNe-LASER ca. 120€, für die polarisierenden Strahlteiler samt 1/4L
Waveplates 250€, für die nötigen Oberflächenspiegel zahlt man mal
schnell 20€ das Stück usw. Da sind die Kosten für die Elektronik, wenn
man sie selbst konstruiert schon lächerlich. Und dann gehts ans
expertimentieren und die Justage eines Interferometers ist immer
frustrierende Arbeit wenn man keine mechanisch gute optische Bank hat.
Die Alternative ist die Zweitverwertung von Faseroptischen Systemen aus
der Nachrichtentechnik. Aber dort arbeitet man mit langwelligem Infrarot
und man sieht nichts, was fürs Hobby eher schlecht ist. Egal, ich bin
mit meinen Zielsetzungen in diesem Bereich sehr bescheiden geworden mit
der Zeit:)
Ein lustiges Ergebnis meiner Experimente war das ich per Interferometer
mit einem Spiegel an der Rigips-Wand montiert das leichte Klopfen mit
einem Finger an der gegenüberliegenden Wand detektieren konnte.
Zimmergröße 25m^2.
Gruß hagen
Jo, leider werden die grünen DPSS-Laser immer seltener. Ich habe auch
mit solchen Teilen angefangen da deren optische Eigenschaften, wie
Kohärenzlänge, überaschend gut sind. 20-40cm sind absolut kein Problem
und das ist besser als so mancher unstabilisierter HeNe-LASER.
Vancouver schrieb:> Ist nur so ne Spinnerei.Eigentlich könnte man so ein> Laser-Interferometer doch auch selbst bauen.
Man kann fast alles selbstbauen. Die Frage ist nur, ob es Sinn
macht. Der Aufbau eines Interferometers ist in jedem besseren
Physikbuch beschrieben. Allerdings funktioniert es nur dann
zuverlässig, wenn die optischen Komponenten wie Strahlteiler
und Spiegel eine hohe Qualität haben. Solche Teile sind dann
nichtmehr ganz billig. Wenn es nur darum geht, Bewegungen
zu detektieren, kannst Du genausogut mit dem Lichtzeiger-
Prinzip arbeiten. Damit wird z.B. auch die Bewegung eines
sog. Cantilevers im Nanometerbereich detektiert.
Hagen R. schrieb:> Kohärenzlänge, überaschend gut sind. 20-40cm sind absolut kein Problem> und das ist besser als so mancher unstabilisierter HeNe-LASER.
So einen HeNe hab ich auch, wie kann man den stabilisieren?
(Konstantstrom?)
Kurt
Kurt B. schrieb:> So einen HeNe hab ich auch, wie kann man den stabilisieren?> (Konstantstrom?)
Was willst Du daran stabilisieren? Hast Du denn die Möglichkeit,
Dein Interferometer im Nanometerbereich zu kalibrieren?
Harald W. schrieb:> Man kann fast alles selbstbauen. Die Frage ist nur, ob es Sinn> macht.
Sinn kann man offenbar auch selbst bauen -im Sinne von "machen".
MfG Paul
Einen HeNe kann man in der Temperatur stabilisieren. Die Interferenz der
optischen Moden aendert mit der Temperatur. Bei einem normalen 20-30cm
HeNe ist die Interferenz in den paar hundert MHz. Das Problem am HeNe
ist die schlechte Kopplung zur Temperatur, da das Gehaeuse fast leer
ist. Also eigentlich muesste man nun das Gehaeuse oeffnen und alles im
Oelbad oder so laufenlassen, oder eine Regelung bauen, die Temperatur
auf einer laengeren Zeitskala un mehreren Isolationsschichten
thermostatisiert.
Schiesslich muss die Beatfrequenz konstant sein. Es werden je nach
Laenge vieleicht 3-4 Moden sein, die rauskommen. Wenn man nur eine will,
muss man ein Fabry-Perot nachschalten
Paul B. schrieb:> Sinn kann man offenbar auch selbst bauen
Das stellst du als Vermutung auf. Wärest du dir sicher, hättest du
geschrieben: "Sinn kann man auch selbst bauen".
Also hast du noch nie Sinn gemacht.
Kurt B. schrieb:> So einen HeNe hab ich auch, wie kann man den stabilisieren?> (Konstantstrom?)
Ich versuche es einfach zu erklären:
Die Qualität der Spannungsversorgung des HeNe ist zwar von Relevanz aber
nicht der erste Schritt. Man stabilisiert als erstes den Abstand der
beiden Spiegel des Lasers zueinander. Da gibt es verschiedene Verfahren
je nach finanziellen Möglichkeiten. Fürs Hobby wird man mit einer
Temperaturregelung des HeNe-Glastubus arbeiten, sprich man benutzt die
Ausdehnung der Glasröhre bei Temperaturänderungen um den Abstand der
HeNe-Spiegel konstant zu halten. Dazu benutzt man eine Heizung, zB.
Captonfolienheizungen die man am Tubus befestigt. Fehlt noch die Frage:
wie ermittelt man den "optimalen Abstand" der Spiegel. Dazu muß man
wissen wie HeNe-LASER funktionieren und nutzt dann deren Eigenschaften
aus. Je nach Länge des Resonanzkörpers des HeNe-LASERs = Abstand
zwischen den Spiegeln ergeben sich auf Grund der
HeNe-Verstärkungsbandbreite von 1.5GHz mehrere sogenannte Moden =
Schwingungsfrequenzen des LASER-Lichtes. Dabei gilt: je größer der
Abstand der Spiegel desto mehr Leasing-Moden passen in die 1.5GHz der
HeNe-Gainkurve rein. Das Besondere an HeNe-Lasern ist nun das durch
verschiedene Effekte sich diese Moden stabilisieren, d.h. z.B. das die
verschiedenen Moden abwechselnde Polarisation besitzen. Wählt man nun
eine HeNe-Laser-Röhre so aus das deren Länge z.b nur 2 solcher Moden
zulässt dann kann dieser Laser nur zwei dicht beieinander liegende
Frequenzen erzeugen die zudem noch orthogonal zueinander liegende
Polaisationsebenen haben. Man benutzt also einen polarisierenden
Strahlteiler und spaltet so das LASER-Licht in diese beiden Frequenzen
auf, schickt das auf zwei Photodioden. Man hat so zwei Signale die
angeben wie groß die Lichtleistung dieser beiden Frequenzen ist. Nun
regelt man die Temperatur und damit den Abstand der Spiegel so aus das
beide Laserfrequenzen gleiche Leistung haben. Anders gesagt: man regelt
die beiden Frequenzen so das sie im gleichen Abstand zum Maximum der
HeNe-Gainkurve liegen (Gaussprofil). Nun muß man nur noch den LASER
Strahl per Polarisationsfilter auf eine der beiden Polarizationsebenen
filtern und hat am Ausgang optisch eine einzige Frequenz. Dieses
Verfahren stabilisiert die Frequenz des LASERs, man kann aber auch die
Leistung auf ähnliche Weise stabilisieren. Beides zusammen geht auch ist
aber aufwendiger.
Praktisch sieht das so aus:
- besorge ein HeNen-LASER der bestimmte Eigenschaften hat: sprich
Abstand der Spiegel, Leistung und nicht optisch intern polarisiert.
- Elektronik besteht aus 2 Photodioden, TIA-Verstärkern, einstellbarer
Differenzverstärker, Integrator und Endstufe für ein Heizelement.
- den LASER-Strahl mit einem polarisierenden Strahlteiler aufteilen und
den 2 Photodioden sauber zuführen
- für den ersten Test LASER einschalten und am 2-Kanal-Oszi beobachten
wie sich die beiden Moden verhalten. Sie sollten auf Grund der
langsammen Ausdehnung des Glastubus "wandern". Wichtig ist hier das es
zu keinem willkürlichen "Mode-hopping" usw. kommt.
- hat der LASER den vorherigen Test bestanden macht man weiter
- der Regelkreis wird nach einer Aufwärmungsphase des LASERs geschlossen
- die verstärkten Photodiodensignale werden subtrahiert, verglichen mit
einem einstellbaren Fehlerwert (Idealfall ist Null), das Resultat einem
Integrator zugeführt dessen Ausgang zB. einen MOSFET steuert der die
Heizung steuert.
Alles in allem ist der LASER und der Strahlteiler das teuerste dabei.
Ich arbeit z.Z. mit einem Uniphase-Novette Model 1508-1 0.5mW LASER,
Kosten bei eBay 40€. Dieser hat eine UNIPHASE 1008 Röhre verbaut deren
Longitudialer Modenabstand bei 1.09GHz liegt. Somit kann diese Röhre nur
1 bis maximal 2 Moden erzeugen.
Als Strahlteiler hatte ich das Glück auf eBay gleich 8x 10705A Single
Beam Interferometer enorm günstig zu schießen. Diese bestehen aus einem
Stahlgehäuse, einem polarisierenden Strahlteilerwürfel für HeNe
Frequenzbereich mit Beschichtung und zwei 1/4Lambda Waveplates.
Die Elektronik ist selbstgemacht, als Photodioden verwende ich BPW34.
Mein Heizelement ist selbstgebaut aus slebstklebender Captonfolie +
Kupferfolie an die direkt der Heiz-MOSFET angelötet ist, der MOSFET ist
das Heizelement. Ich mache das so weil man so selbst kleinste
elektromagnetische Felder vermeidet die bei zB. einer Heizung aus
Kupferlackdraht (Tubus damit umwickelt) entstehen würden.
Jo, eigentlich recht simpel das Ganze. Viele kommerzielle stabilisierte
LASER arbeiten nach exakt dem gleichen Prinzip, einziger Unterschied ist
der finale Preis. Ein unstabilsierter HeNe Laser kostet ca. 100-200
Euro, ein stabilisierter gleich das 10-50'fache. Das ist die
Gewinnspanne die man sich mit obigem Hobbyaufbau sparen kann.
Übrigens hier kannst du alles viel besser nachlesen:
http://www.repairfaq.org/sam/laserchn.htm#chnstab
Siebzehn F. schrieb:> Schiesslich muss die Beatfrequenz konstant sein.
Die Auswertung der Beatfrequenz gestaltet sich schwierig da sie sehr
hoch sein wird. Der Aufwand in der Elektronik ist dann enorm. Davon
abgesehen entsteht eine komplexe Beatfrequenz je geringer der
Modenabstand wird, eg. die Anzahl an Moden größer 2 wird.
> Es werden je nach Laenge vieleicht 3-4 Moden sein, die rauskommen.
Es gibt auch kurze Röhren die nur 1-2 Moden erlauben. Deren
Ausgangsleistung ist dementsprechend geringer. Aber für den Anfang, bzw.
je nach Verwendungszwecke, ist es besser damit zu experimentieren.
Ich habe noch eine NEC Röhre: GLT2150, 5mW, 435MHz Modenabstand, ergo 3
bis max. 4 Moden gleichzeitig. Diese zu stabilisieren ist schon fast
nicht mehr möglich mit obigen Verfahren. Mein Ziel ist es aber diese mit
Hilfe der stabilsierten UNIPHASE Röhre zu stabilisieren. Das ist aber
noch ein langer Weg.
> Wenn man nur eine will, muss man ein Fabry-Perot nachschalten
Naja, man muß nicht, es gibt auch andere Wege. Fabry-Perot-Resonatoren
sind schwierig für Hobbybastler aufzubauen, nicht unmöglich aber die
Justage ist problematisch. Davon abgesehen ergeben sich andere Probleme
mit FPs wenn man sie extern zur Stabilisierung verwenden möchte. Dann
lieber mit Halbleiter-LASERn arbeiten und extern mit einem
Beugungsgitter in Littrowkonfiguration und Temperaturreglung arbeiten.
Hagen R. schrieb:> Kurt B. schrieb:>> So einen HeNe hab ich auch, wie kann man den stabilisieren?>> (Konstantstrom?)>> Ich versuche es einfach zu erklären:>> Die Qualität der Spannungsversorgung des HeNe ist zwar von Relevanz aber> nicht der erste Schritt. Man stabilisiert als erstes den Abstand der> beiden Spiegel des Lasers zueinander.
...
> Praktisch sieht das so aus:> - besorge ein HeNen-LASER der bestimmte Eigenschaften hat: sprich> Abstand der Spiegel, Leistung und nicht optisch intern polarisiert.> - Elektronik besteht aus 2 Photodioden, TIA-Verstärkern, einstellbarer> Differenzverstärker, Integrator und Endstufe für ein Heizelement.> - den LASER-Strahl mit einem polarisierenden Strahlteiler aufteilen und> den 2 Photodioden sauber zuführen
Puh (erstmal danke für die Infos), doch ein mords Aufwand.
Ich möchte nur die Kohärenzlänge soweit verändern dass ich ein besseres
Überlagerungsmuster bekomme als ich es schonmal gesehen habe.
Die Ansprüche an (Langzeit)Stabilität sind nicht besonders hoch, es geht
mehr ums Basteln und ums Verstehen.
Kurt
Hagen R. schrieb:> Es gibt auch kurze Röhren die nur 1-2 Moden erlauben.
Betrifft das nur longitudinale Moden, oder lassen sich die transversalen
Moden dadurch auch einschränken, so dass nur noch TEM00 verbleibt?
Johann L. schrieb:> Hagen R. schrieb:>> Es gibt auch kurze Röhren die nur 1-2 Moden erlauben.>> Betrifft das nur longitudinale Moden, oder lassen sich die transversalen> Moden dadurch auch einschränken, so dass nur noch TEM00 verbleibt?
Die Länge des Resonators bestimmt vorrangig die longituadinale
Modenstruktur. Beim HeNe-Laser wird versucht ihn so zu bauen das nur die
TEM00 Moden vestärkt werden. Jede Störung des idealen Resonators, seien
es falsch ausgerichtete Spiegel, Fehler der
Spiegeloberflächen/-krümmungsradien, verunreinigtes Gasgemisch, externe
Magnetfelder, Brewsterfenster im Resonanzraum usw. kann transversale
Moden TEMxy x>0, y>0 erzeugen. HP-HeNe-Laser die mit dem Zeeman Effekt
arbeiten nutzen diese Effekte aus, heist externes Magnetfeld +
absichtliche Schwächungen der idealen Eigenschaften des Resonanzkörpers,
zB. durch durchlässigere Spiegel. Diese Laser erzeugen dann zirkulär
polarisierte Emmisionen.
Hier eine gute Antwort dazu:
http://laserfreak.net/forum/viewtopic.php?f=182&t=55627&sid=a76c467a04113a66e97b321e30c3d9d0
Einen HeNe-Laser der kontinuierlich auf nur einem Mode schwingt ist
praktisch unmöglich zu bauen, nach meinem Verständnis.
Gruß Hagen
