interferometrie – m ĚŘenÍ svĚtlem

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)