INTERFEROMETRIE – M ĚŘENÍ SVĚTLEM

1. INTERFEROMETRIE – MĚŘENÍ SVĚTLEM

2. Vlnová podoba světla bílé světlo žárovky i slunce obsahuje všechny barvy (vlnové délky) LASER světlo laseru je monochromatické (jednobarevné) a koherentní (má stejnou fázi)

3. Vlnění a vlny Světlo má vlnovou i částicovou podobu. Světelné vlny jsou elektromagnetické, stejně, jako např. radiové vlny. Šíří se prostorem podobně, jako vlny na vodě.

4. Vlnová délka a kmitočet • Vlnění lze popsat hlavními parametry: • rychlostí šíření • délkou vlny • kmitočtem c platí: f = l délka vlny „l“ rychlost šíření „c“ kmitočet „f“

5. Spektrum kmitočtů rádio infrazvuk ultrazvuk televizní vysílání zvuk dlouhé vlny střední vlny krátké vlny velmi krátké vlny kmitočet [Hz] 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 světlo radioreléové spoje terahertzové pásmo infračervené rentgenové záření mobilní telefony, radary ultrafialové tvrdé kosmické záření viditelné 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017

6. Interference vln

7. Interference koherentního světla Koherentní světlo dvou laserových svazků může interferovat konstruktivně, nebo destruktivně směr šíření stínítko

8. 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.

9. Interferometr V interferometru se dělí světelo do dvou svazků, které vzájemně interferují. polopropustná zrcadla obě dráhy jsou identické Tzv. Mach – Zehnderův interferometr jedna z drah je kratší o ½ vlnové délky ½ l

10. Michelsonův interferometr světlo laseru se dělí do dvou kolmých větví polopropustné zrcadlo Michelsonův interferometr je vhodný pro měření vzdáleností. Mění-li se délka jedné větve, mění se interferenční stav na výstupu pevná délka větví referenční větev měřicí větev posuv zrcadla o 1 x l prostřídání dvou světlých a tmavých skvrn na stínítku

11. Měření délky interferometrem Michelsonův interferometr fotodetektor 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.

13. Přesnost měření výsledek měření měřicí přístroj měřená veličina displej 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. prům. chyba Relativní přesnost = měřicí rozsah měř. rozsah Vyjadřuje se v %, nebo zlomkem, např. 1/100, nebo 10-2 průměrná chyba měřená hodnota

14. Metrologie • Diagram 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)

15. Frekvence, čas a délka 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 stabilníradiofrekvenční oscilátor. Převod mezi časem a frekvencí je prostý: T = 1/f Jednotka délky je definována: „Metr je délka, kterou urazí světlo ve vakuu za interval 1/299 792 458 sekundy.“ Etalon délky je přesný a stabilní laser. Převod optické frekvence na délku (vlnovou délku) je: l = c/ f Oba etalony jak času, tak i délky jsou oscilátory pracující v radiofrekvenční, resp. optické oblasti frekvenčního spektra.

16. Hodiny a metr Mechanické hodiny Electronickéhodiny oscilátor / kyvadlo převodovka / čítač (dělič) displej Metr laser - optický oscilátor interferometr – čítačvlnových délek displej

17. 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.

18. Stabilizovaný Nd:YAG laser

19. 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.

20. 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). opakovací perioda pulzů „T“ LASER opakovací frekvence f = 1 / 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.

21. Titan-safírový pulzní femtosekundový laser

22. fs pulzy, časový a frekvenční pohled I I FT t f T 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.

23. Transformace relativní přesnosti I rozdíl mezi rf a optickou spektrální oblastí frekvence 0 Hz spektrální oblast pulzního fs laseru opakovací frekvence f = 1/T radiofrekvenční kmitočty optické kmitočty - světlo 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.

24. Cesta k optickým hodinám Transformace relativnípřesnosti 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) čítač (fs pulzní laser) reference (atom, iont)