Beugung & Interferenz

Beugungsintensität an Loch- und Kreisblenden

Prinzip Nadellochmembranen und kreisrunde Hindernisse werden mit Laserlicht beleuchtet. Die daraus resultierende Intensitätsverteilung durch die Beugung wird mittels einer Photodiode gemessen.

Brechungsindex, Dispersion und Auflösungsvermögendes Prismenspektroskops

Prinzip Das Spektro-Goniometer lässt sich für die genaue Messung des Ablenkwinels des Lichts nach Durchgang durch ein Prisma nutzen. Die Brechzahl eines Prismas bei der Wellenlänge einer bekannten Spektrallinie kann aus dem Winkel der kleinsten Ablenkung bestimmt werden, wenn der Winkel zwischen den brechenden Oberflächen des Prismas gegeben ist. Wird diese Messung bei mehreren Spektrallinien druchgeführt, so ergibt sich die Dispersionskurve des Prismas. Prismen aus verschiedenen optischen Glassorten und ein Hohlprisma, das mit verschiedenen Flüssigkeiten gefüllt werden kann, werden verwendet, um Dispersionskurven von Materialien mit verschiedenem Brechungsindex zu messen. Des weiteren kann gezeigt werden, wie das spektrale Auflösungsvermögen eines Prismenspektrometers von der Dispersion und der nutzbaren Breite des Prismas abhängt. Dazu wird die verwendete Straahlbreite mit einem verstellbaren Spalt eingeschränkt. Vorteile • die Grundsätze der Spektroskopie verstehen • Brechungseffekte im Detail untersuchen • die Grundsätze der Prismenspektroskopie verstehen • präzise reproduzierbare Ergebnisse im kompakten Aufbau

Dispersion und Auflösungsvermögen des Gitter- und Prismenspektrometers

Prinzip Das an einem periodischen Liniengitter gebeugte Licht einer Hg-Spektrallampe wird mit einem Goniometer beobachtet. Die Beugungswinkel für die verschiedenen Spektrallinien werden für mehrere Beugungsordnungen bestimmt. Mit Hilfe von Gittern mit verschiedenen Gitterkonstanten wird die spektrale Winkeldispersion in Abhängigkeit von der Gitterkonstante bestimmt. Der Einfluss der Anzahl der verwendeten Gitterlinien wird beobachtet, indem mit Hilfe eines verstellbaren Spaltes die Breite des nutzbaren Lichtbündels eingeschränkt wird. Der Effekt der Beugung an diesem Spalt wird dabei berücksichtigt. Das beobachtete spektrale Auflösungsvermögen eines Beugungsgitters bei gegebener Gitterkonstante und nutzbarer Breite wird verglichen mit den theoretischen Erwartungen.  Vorteile • Beugungseffekte im Detail untersuchen • die Grundsätze der Gitterspektroskopie verstehen • präzise reproduzierbare Ergebnisse im robusten Aufbau

Erzeugung von Interferenzen mit Hilfe eines Fresnelschen Biprismas -

Prinzip Mit Hilfe eines Prismas mit sehr großem Scheitelwinkel (Fresnelches Biprisma)kann ein einfallendes Lichtbündel in zwei gleiche kohärente Teilbündel aufgespalten werden, die in ihrem Überlappungsbereich miteinander interferieren Vorteile • Lehrplanrelevanter DEMO Versuch in der Optik • Äquivalenz zum entsprechendem Schülerexperiment • Stabile optische Bank • Kompakter, einfacher Aufbau

Erzeugung von Interferenzen mit Hilfe eines Fresnelschen Doppelspiegels

Prinzip Lässt man einen aufgeweiteten Laserstrahl auf zwei um einen kleinen Winkel geringfügig gegeneinander geneigte ebene Spiegel fallen, so erhält man durch Reflexion zwei kohärente Lichtbündel, die in ihrem Überlappungsbereich miteinander interferieren. Auf einem Schirm zeigt sich ein Interferenzmuster aus parallelen hellen und dunklen Streifen. Vorteile • Lehrplanrelevanter DEMO Versuch in der Optik • Äquivalenz zum entsprechendem Schülerexperiment • Stabile optische Bank • Kompakter, einfacher Aufbau

Experimentier Set Quantenoptik

Fresnel'sche Zonenplatte

Prinzip Eine Zoneplatte wird mit parallelem Laserstrahl beleuchtet. Die Brennpunkt mehrer Aufträge auf die Zonenplatte wird auf eine Mattscheibe projiziert.

Fresnelscher Biprismaversuch

Prinzip Neben dem Experiment mit dem Fresnelschen Doppelspiegel ist das Experiment mit dem Fresnelschen Biprisma eines der historisch bedeutsamen Experimente, die im 18. und 19. Jahrhundert durchgeführt wurden, um die Wellennatur des Lichts nachzuweisen. Bei dem Fresnelschen Biprisma schließen die Flächen, auf die das von einem Leuchtspalt ausgehende Licht auftrifft, einen Winkel von nahezu 180 Grad ein. Trifft ein divergentes Lichtbündel auf die Kante des Biprismas, dann erhält man durch Brechung zwei divergente, kohärente Lichtbündel, die von zwei virtuellen Spalten auszugehen scheinen und jenseits des Biprismas interferieren. Die Schüler sollen zunächst den Aufbau des Versuches mit dem Biprisma kennenlernen und die Interferenzmuster beschreiben. Im zweiten Versuch soll die Wellenlänge von rotem Licht ermittelt werdden. Durch Verwendung anderer Filter ist es auch möglich, die Wellenlänge für weitere Farben - evtl. im arbeitsteiligen Vorgehen - zu bestimmen. Vorteile • Multifunktionale Schülerleuchte - All-in-one: Nutzbar für Grundlagen der geometrischen Optik auf dem Tisch, Farbmischung und auf der optischen Bank • Erweiterung mit Aufbausets jederzeit möglich und keine zusätzlichen Leuchten erforderlich, dadurch Wiedererkennungswert für den Schüler

Fresnelscher Doppelspiegelversuch

Prinzip Eines der historisch bedeutsamen Experimente, die im 18. und 19. Jahrhundert durchgeführt wurden, um die Wellennatur des Lichts nachzuweisen, war der 1816 von Fresnel erdachte Doppelspiegelversuch. Mit zwei Planspiegeln, die um nahezu 180 Grad gegeneinander geneigt sin, erzeugtman durch Reflexion eines divergenten Lichtbündels zwei virtuelle Lichtquellen, von denen zwei divergente Lichtbündel auszugehen scheinen, die interferieren können, weil sie kohärent sind. Die Schüler sollen zunächst den prinzipiellen Aufbau des Fresnelschen Versuches kennenlernen und die Interferenzmuster beschreiben. Die Neigung der beiden Spiegel zueinander ist unveränderlich und dadurch vereinfacht sich der Aufbau. Im zweiten Versuch soll die Wellenlänge von rotem Licht ermittelt werden. Duch Verwendung der anderen Filter ist es auch möglich, die Wellenlänge für weitere Farben zu bestimmen. Vorteile • Multifunktionale Schülerleuchte - All-in-one: Nutzbar für Grundlagen der geometrischen Optik auf dem Tisch, Farbmischung und auf der optischen Bank • Erweiterung mit Aufbausets jederzeit möglich und keine zusätzlichen Leuchten erforderlich, dadurch Wiedererkennungswert für den Schüler

Interferenzexperiment mit Zeilenkamera

Prinzip Durch die Aufteilung der Wellenfront eines Lichtstrahls auf die Fresnel-Spiegel und die Fresnel-Doppelprisma werden Interferenzen erzeugt. Die Wellenlänge wird aus dem Interferenzmuster bestimmt.

Kohärenz und Breite von Spektrallinien mit dem Michelson-Interferometer

Prinzip Kohärenz - ist die Eigenschaft einer Welle, über einen größeren räumlichen und/oder zeitlichen Bereich hinweg eine definierte Phasenbeziehung aufzuweisen. Die zeitliche Kohärenz ist direkt verbunden mit der Frequenzbandbreite der Schwingung. An einem festen Punkt im Raum ändert sich die Phase von annähernd monochromatischem Laser-Licht über viele Schwingungperioden hinweg wie eine gleichmäßige Schwingung. Nach einiger Zeit, der Kohärenzzeit, ändert sich die Phase gegenüber dieser gedachten Schwingung jedoch. Der Weg, den das Licht während der Kohärenzzeit zurücklegt, wird Kohärenzlänge genannt. In diesem Versuch zeigt sich bei einer Hg-Hochdrucklampe im stationären Betriebszustand, dass durch Doppler-Effekt und erhöhter Stoßzahl aufgrund hoher Druck und Temperaturwerte die Kohärenzlänge einer Spektrallinie verringert wird. Vorteile • untersuche die Eigenschaft die es zulässt Licht in Interferenz-Experimenten einzusetzen • analysiere verschiedene Spektrallinien einer Quecksilberlampe • setze ein Michelson-Interferometer ein um Licht zu charakterisieren

Kohärenzbedingung

Prinzip Ob Lichtwellen, die sich überlagern, auch interferieren können, hängt davon ab, ob sie kohärent sind oder nicht. Die Bedingung, die erfüllt sein muss, damit Kohärenz besteht, kann in der Form d⋅sin(ε)≪λ oder d⋅D/a≪λ dargestellt werden. Kohärenz ist also von der räumlichen Ausdehnung (im Experiment Breite d des Leuchtspalts) und vom genutzten Abstrahlungswinkel (des Doppelspalts) abhängig. Weil die Abmessungen des Beugungsobjekts (des Dreifach-Spalts) klein gegenüber der Entfernung a der Lichtquelle vom Beugungsobjekt sind, ist sin(ε)/2=tan(ε)/2=ε/2 =(D/2)/a, sodass die Kohärenzbedingung in der oben angeführten Form aufgeschrieben werden kann. Ihre Überprüfung erfordert die Messung von d, D und a. Das Ziel des ersten Experiments ist die Überprüfung der Kohärenzbedingung für rotes Licht. Im zweiten Experiment sollen die Schüler bestätigt finden, dass langwelligeres Licht die Kohärenzbedingung bei gleicher Ausdehnung der Lichtquelle eher erfüllt als kurzwelligeres. Vorteile • Multifunktionale Schülerleuchte - All-in-one: Nutzbar für Grundlagen der geometrischen Optik auf dem Tisch, Farbmischung und auf der optischen Bank • Erweiterung mit Aufbausets jederzeit möglich und keine zusätzlichen Leuchten erforderlich, dadurch Wiedererkennungswert für den Schüler