Upload
brede
View
45
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
INTERFEROMETRIE – M ĚŘENÍ SVĚTLEM. Vlnová podoba světla. bílé světlo žárovky i slunce obsahuje všechny barvy (vlnové délky). LASER. světlo laseru je monochromatické ( jednobarevné ) a koherentní ( má stejnou fázi). Vlnění a vlny. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
INTERFEROMETRIE – MĚŘENÍ SVĚTLEM
Vlnová podoba světla
bílé světlo žárovky i slunce obsahuje všechny barvy (vlnové délky)
světlo laseru je monochromatické (jednobarevné) a koherentní (má stejnou fázi)
LASER
Vlnění a vlnySvětlo má vlnovou i částicovou podobu. Světelné vlny jsou elektromagnetické, stejně, jako např. radiové vlny. Šíří se prostorem podobně, jako vlny na vodě.
Vlnová délka a kmitočet
rychlost šíření „c“
délka vlny „“
kmitočet „f“
Vlnění lze popsat hlavními parametry:
rychlostí šíření
délkou vlny
kmitočtem
platí: f =c
Spektrum kmitočtů
kmitočet [Hz]
infrazvuk
zvuk
ultrazvuk
dlouhé vlny
rádio
střední vlny
krátké vlny
velmi
krátké vlny
televizní vysílání
10 103 106105 107 108 109
mobilní
telefony, radary
1010
radioreléové spoje
terahertzové pásm
o
infračervené
viditelné
ultrafialové
rentgenové záření
tvrdé kosm
ické záření
1012 10141013 1015 10171011
světlo
1016
1041 102
Interference vln
Interference koherentního světla
směr šíření
stínítko
Koherentní světlo dvou laserových svazků může interferovat konstruktivně, nebo destruktivně
Koherenční zrnitost
Koherenční zrnitost je snadno pozorovatelným důsledkem koherence laserového světla. Je viditelná i u levného laserového ukazovátka. Svazek dopadající na nerovný povrch (zeď) se odráží do různých směrů a dílčí vlny spolu interferují. Výsledkem je chaotický zrnitý obrazec.
Interferometr
½
V interferometru se dělí světelo do dvou svazků, které vzájemně interferují. polopropustná
zrcadla
Tzv. Mach – Zehnderův interferometr
obě dráhy jsou identické
jedna z drah je kratší o ½ vlnové délky
Michelsonův interferometr
posuv zrcadla o 1 x
prostřídání dvou světlých a tmavých skvrn na stínítku
Michelsonův interferometr je vhodný pro měření vzdáleností.
Mění-li se délka jedné větve, mění se interferenční stav na výstupu
polopropustné zrcadlo
světlo laseru se dělí do dvou kolmých větví
pevná délka větví
referenční větev
měřicí větev
Měření délky interferometrem
fotodetektor
Michelsonův interferometr
Výstup interferometru může být sledován fotodetektorem a střídání interferenčních maxim a minim převáděno na elektrický signál. Počítáme-li interferenční proužky a známe-li vlnovou délku, lze určit vzdálenost posuvu zrcadla v měřící větvi.
Přesnost měření
měřicí přístroj
měřená veličina displej
výsledek měření
Přesnost je (zjednodušeně řečeno) jak se výsledek měření liší od skutečnosti.
Rozlišení určuje, jak malá změna měřené veličiny měřicí přístroj vůbec zaregistruje (neříká nic o přesnosti)
Relativní přesnost určuje, v jakém poměru je průměrná chyba měření vzhledem k měřicímu rozsahu.
Relativní přesnost =měřicí rozsah
měřená hodnota
průměrná chyba
prům. chybaměř. rozsah
Vyjadřuje se v %, nebo zlomkem, např. 1/100, nebo 10-2
MetrologieDiagram znázorňuje vazby mezi 7 základními veličinami systému SI:
Je zřetelná závislost jednotky délky na jednotce času
Vazba je prostřednictvím konstanty rychlosti světla ve vakuu „c“
Reprezentace: čas – cesiové hodiny (rf oscilátor), délka – laser (interferometr)
Frekvence, čas a délka
Jednotka délky je definována:„Metr je délka, kterou urazí světlo ve vakuu za interval 1/299 792 458
sekundy.“
Jednotka času:„Sekunda je dobou trvání 9 192 631 770 period záření odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými úrovněmi základního stavu
atomu cesia 133.“
Etalon času je velmi přesný a stabilní radiofrekvenční oscilátor. Převod mezi časem a frekvencí je prostý:
T = 1 / f
Etalon délky je přesný a stabilní laser. Převod optické frekvence na délku (vlnovou délku) je:
= c / f
Oba etalony jak času, tak i délky jsou oscilátory pracující v radiofrekvenční, resp. optické oblasti frekvenčního spektra.
Hodiny a metr
Mechanické hodiny
Electronické hodiny
Metr
oscilátor / kyvadlo
převodovka / čítač (dělič)
displej
laser - optický oscilátor
interferometr – čítač vlnových délek
displej
Přesnosti etalonů času a délky
Čas je zatím nejpřesněji měřitelnou fyzikální veličinou. Etalon času – cesiové hodiny jdou s relativní přesností 10-15.
• znamená to, že se mohou předběhnout (zpozdit) o 1 sekundu za 30 milionů let
Délku lze zatím měřit s relativní přesností 10-13. Normálem délky jsou stabilizované lasery: He-Ne, Nd:YAG a jiné.
• přesnost měření délky laserovým interferometrem ovlivňuje přesnost (stabilita vlnové délky) laseru (měříme-li ve vakuu) a navíc index lomu vzduchu
Měřidla se kalibrují srovnáním s přesnějšími měřidly a etalony. Základní etalony (ty nejpřesnější) už není s čím srovnávat.
• srovnávají se tedy mezi sebou – ze vzájemných odchylek se odhaduje, na jaké úrovni přesnosti se základní etalony pohybují.
Cesiové hodiny i laser jsou oscilátory. To, oč jde je přesnost jejich kmitočtu. Jejich kmitočty dělí řádová propast, hodiny: 10 GHz, laser: 500 THz.
Stabilizovaný Nd:YAG laser
Cesiové hodiny
Přesný čas cesiových hodin je dnes všeobecně k dispozici, vysílá se pozemními vysílači, např. v Evropě z PTB Braunschweig v Německu v podobě signálů vysílače DCF, který lze přijímat i u nás, nebo prostřednictvím sítě družic systému GPS.
Pulzní femtosekundové lasery
V posledních letech se objevily na scéně pulzní lasery generující velmi krátké světelné impulzy, které trvají jen pár femtosekund (10-15 sekundy).
LASER
opakovací perioda pulzů „T“
několik fs
Femtosekundové pulzy jsou tak krátké, že je v nich jen pár zákmitů elektromagnetického pole.
Jedná se o nejkratší fyzikální děj, který lze v laboratorních podmínkách vytvořit.
opakovací frekvence f = 1 / T
Titan-safírový pulzní
femtosekundový laser
fs pulzy, časový a frekvenční pohled
I
t f
FT
T
I
f = 1/T
• Jediný nekonečně krátký pulz pokrývá spojitě všechny frekvence. Sekvence těchto pulzů je spektrálně reprezentována nekonečně širokým hřebenem frekvencí.
• Periodické pulzy konečné délky jsou reprezentovány spektrálně omezeným hřebenem frekvencí. Existuje nepřímá úměra mezi délkou pulzů a šířkou spektra.
Transformace relativní přesnosti
spektrální oblast pulzního fs laseru
I
frekvence
f = 1/Topakovací frekvence
Každá spektrální složka pulzního laseru (frekvence) je celočíselným násobkem opakovací frekvence. Je-li např. opakovací frekvence odvozena od cesiových hodin a přesná na úrovni 10-15, je relativní přesnost každé optické frekvence fs laseru také na úrovni 10-15.
Pulzní fs laser může přemostit rozdíl mezi rf a optickou spektrální oblastí. Může pracovat jako optické hodiny konvertující stabilní frekvenci laseru do radiofrekvenční oblasti a naopak.
radiofrekvenční kmitočty
rozdíl mezi rf a optickou spektrální oblastí
0 Hz
optické kmitočty - světlo
Cesta k optickým hodinámTransformace relativní přesnosti frekvence z optického oscilátoru (laseru) prostřednictvím pulzního fs laseru do radiofrekvenčního spektra může vést k optickým hodinám.
To povede ke sjednocení jednotky délky a času na bázi jednoho superpřesného oscilátoru.
oscilátor (laser)
reference (atom, iont)
čítač (fs pulzní laser)