Лабораторный стенд EDU-MINT2/M Интерферометр Майкельсона

 Стенд разработан для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает все необходимое оборудование, за исключением регулируемого источника питания для эксперимента по тепловому расширению (12 В постоянного тока, 2 А).

В экспериментальной части Вы:

· Соберете и изучите свойства интерферометра Майкельсона;
· Исследуете второй выход интерферометра;
· Используете интерферометр как чувствительный спектрометр;
· Создадите интерференцию белого света;
· Изучите, как интерференционная картина зависит от длины когерентности источника;
· Используйте интерферометр для измерения физических свойств материалов:
а) Показатель преломления пластин из оргстекла;
б) Коэффициент теплового расширения алюминиевого стержня.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

В основном составе:

1) Алюминиевая оптическая плита, 1 шт.
2) Лазерный диодный модуль (P=0.9мВт, λ=532 нм), 1 шт.
3) Стабилизированный источник питания, 5 В (DC), 2 A, разъем: USB Type-A, 100/240 В (AC)
4) Адаптер Ø25.4 мм для цилиндрических компонентов Ø11 мм, 1 шт.
5) Кинематический держатель оптических элементовØ25.4 мм, 2 шт.
6) Плоское зеркало с серебряным покрытием (Ø25.4 мм), отражение: 450 нм - 20 мкм, толщина: 6.0 мм, 2 шт.
7) Держатель-транслятор, смещающийся по оси Z, 1 шт.
8) Разделительная плита, 50 мм x 75 мм, толщина: 6.25 мм, 1 шт.
9) Основания для крепления, 50 мм x 75 мм x 10 мм, 2 шт.
10) Белый экран 150 мм x 150 мм, 1 шт.
11) Держатель для оптики со стопорным кольцом (Ø25.4 мм), 1 шт.
12) Двояковыпуклая линза (Ø25.4 мм) из стекла N-BK7, фокусное расстояние 50.0 мм, без покрытия, 1 шт.
13) Светоделительный куб в оправе (просветляющее покрытие: 400 - 700 нм), 1 шт.
14) Универсальный держатель стержней Ø12.7 мм с подпружиненным фиксирующим винтом, высота: 30 мм, 4 шт.
15) Стержень для держателей оптики L = 30 мм, 2 шт.
16) Стержень для держателей оптики L = 40 мм, 2 шт.

Компоненты для наблюдения за вторым выходным сигналом интерферометра:

1) Светоделитель для работы с неполяризованным излучением, 50:50 (отражение: пропускание), Ø25.4 мм, угол падения излучения: 45°, 1 шт.
2) Держатель для оптики со стопорным кольцом (Ø25.4 мм), 1 шт.
3) Стержень для держателей оптики L = 40 мм, 1 шт.

Компоненты для измерения показателя преломления:

1) Вращающаяся платформа с высокоточном позиционированием, 1 шт.
2) Держатель пластинок толщиной до 14.7 мм, ширина: 22.9 мм, 1 шт.
3) Пластина из оргстекла толщиной 8 мм, 1 шт.
4) Пластина из оргстекла толщиной 12 мм, 1 шт.

Компоненты для определения длины когерентности и интерференции белого света:

1) Светодиод (P=7.2мВт, λ=639 нм), 1 шт.
2) Светодиод (P=15мВт, λ=430-660 нм), 1 шт.
3) Универсальный держатель стержней Ø12.7 мм с подпружиненным фиксирующим винтом, высота: 40 мм, 1 шт.
4) Стержень для держателей оптики L = 40 мм, 2 шт.
5) Держатель для оптических элементов Ø12.7 мм, без стопорных элементов, 2 шт.
6) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, 2 шт.
7) Линейка 30 см, 1 шт.

Компоненты для измерения коэффициента теплового расширения:

1) Держатель зеркал Ø25.4 мм и толщиной: 2.5 - 6.1 мм, 1 шт.
2) Плоское круглое зеркало с алюминиевым покрытием, Ø25.4 мм, 3.2 мм толщиной, 1 шт.
3) Зажим для крепления стержня (Ø12.7 мм) под углом 90°, 1 шт.
4) Стержень для держателей оптики L = 50 мм, 1 шт.
5) Держатель для стержней Ø 12.7 мм с подпружиненным винтом, высота: 40 мм, 1 шт.
6) Основания для крепления, 25 мм x 58 мм x 10 мм, 1 шт.
7) Цифровой термометр, 1 шт.
8) Гибкий нагревательный элемент из полиимидной пленки с терморезистором (10 кОм), 1 шт.
9) Изолента, 1 шт.

Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных
элементов, набором для чистки оптики и инструментами.

Лабораторный стенд «интерферометр Майкельсона» демонстрирует несколько способов использования интерферометра для проведения высокочувствительных измерений. Лазер и светодиоды позволяют студентам исследовать концепцию интерференции и изучить, как длина когерентности различных источников света влияет на выходной сигнал интерферометра. Интерферометр можно настроить для создания интерференции белого света с использованием входящего в комплект белого светодиода, как показано на рисунке 1. Студенты также могут использовать лабораторную установку для определения показателя преломления пластин из оргстекла и коэффициента теплового расширения алюминиевого стержня.

Рисунок 1.

Эксперимент «интерферометр Майкельсона» 

Лабораторный стенд «интерферометр Майкельсона» позволяет студентам собрать базовый интерферометр Майкельсона и использовать его для измерения физических свойств лазерного источника и различных материалов. В стенд входят все компоненты, необходимые для создания рабочего интерферометра, включая источники света, зеркала, делитель луча и экран. Руководство содержит объяснение теоретических основ каждого эксперимента, а также подробные инструкции. Ниже приведено описание экспериментов, входящих в лабораторный стенд.

Студенты начинают с сборки и настройки интерферометра, чтобы наблюдать интерференцию, возникающую из-за разницы длин плеч интерферометра. Базовая установка состоит из зеленого лазера на кинематическом креплении, делителя луча, одного зеркала на трансляционном столике, второго зеркала на кинематическом креплении на фиксированной стойке и экрана, как показано на схеме на рисунке А.
Распространенное заблуждение среди студентов заключается в том, что свет теряется, когда на экране наблюдается деструктивная интерференция. Чтобы развеять это заблуждение, в лабораторный стенд включена дополнительная пластина делителя луча, позволяющая студентам наблюдать второй выход интерферометра, то есть свет, возвращающийся в направлении лазера, как показано на Рисунке Б. Студенты могут увидеть, что когда в центре интерференционной картины основного выхода наблюдается яркое пятно, на втором выходе интерферометра в центре будет темное пятно (см. Рисунок В). Свет не теряется, а просто перераспределяется в системе.

Измерение длины волны и использование интерферометра как спектрометра

Лабораторный стенд включает эксперимент, позволяющий определить длину волны входящего в комплект лазера, а затем измерить разницу длин волн между двумя спектральными пиками в профиле излучения лазера. Для выполнения первого эксперимента студенты подсчитывают количество переходов "свет-темнота-свет", происходящих при перемещении зеркала на заданное расстояние с помощью трансляционного столика с микрометрическим приводом. Затем длина волны может быть рассчитана по формуле: λ = 2Δx/N, где Δx — расстояние, на которое перемещается зеркало, N — количество переходов, а λ — длина волны лазера.
Затем студенты могут использовать интерферометр для определения разницы длин волн пиков в профиле излучения лазера. Поскольку лазер излучает одновременно на нескольких длинах волн, каждая длина волны создает свою интерференционную картину. При определенной разнице длин плеч интерферометра интерференционные картины от двух пиков длин волн будут идеально совпадать, и контраст между темными и светлыми полосами будет хорошим. Однако на других расстояниях светлые полосы одной интерференционной картины будут совпадать с темными полосами другой, что приведет к плохому контрасту. Измеряя изменение разницы длин плеч при переходе от плохого контраста к хорошему и обратно, студенты могут рассчитать разницу длин волн между двумя пиками в спектре излучения лазера.

Длина когерентности и интерференция белого света

Интерферометр Майкельсона предоставляет интуитивно понятный способ изучения концепции длины когерентности: в данном контексте длина когерентности источника соответствует максимальной разнице длин плеч интерферометра, при которой еще можно наблюдать интерференцию. В этом стенде студенты могут использовать свою установку для измерения длины когерентности красного и белого светодиодов, используя схему, показанную на рисунке выше. После установки светодиода в интерферометр студенты регулируют положение одного зеркала до тех пор, пока интерференционная картина почти не исчезнет. Длина когерентности должна быть примерно равна удвоенной разнице длин плеч интерферометра. Чтобы сравнить результаты с теорией, студенты могут рассчитать предполагаемую длину когерентности по длине волны и ширине полосы источника с помощью следующего уравнения: ΔLc = λ0²/Δλ, где ΔLc — длина когерентности, λ0 — центральная длина волны, а Δλ — ширина полосы.
После юстировки установки с использованием лазера и красного светодиода, студенты могут поместить в установку входящий в комплект белый светодиод для создания интерференции белого света.

Определение показателя преломления материала

Лабораторный стенд включает две пластины из оргстекла толщиной 8 мм и 12 мм, чтобы студенты могли использовать интерферометр для измерения показателя преломления этого материала. Пластина из оргстекла помещается в одно из плеч интерферометра перпендикулярно пути луча (см. Рисунок выше). Поскольку пластина имеет другой показатель преломления, чем окружающий воздух, свет, проходящий через плечо интерферометра с пластиной, будет иметь другую эффективную оптическую длину пути, чем свет в другом плече. Если пластину повернуть, толщина материала на пути луча увеличивается, что приводит к изменению оптической длины пути. Изменение оптической длины пути можно определить, подсчитав количество переходов "свет-темнота-свет" в центре интерференционной картины при повороте пластины на заданный угол. Показатель преломления n материала можно рассчитать по следующей формуле:

n=(Nλ2t+cos⁡α−1)2+sin⁡2α2(Nλ2t−cos⁡α+1)n=2(2tNλ−cosα+1)(2tNλ+cosα−1)2+sin2α

где N — количество переходов "свет-темнота-свет", λ — длина волны лазерного света, t — толщина пластины из оргстекла, а α — угол поворота пластины.

Измерение коэффициента теплового расширения

Последний эксперимент, доступный с этим лабораторным стендом, позволяет измерить коэффициент теплового расширения алюминиевого стержня. Стержень обернут нагревательной фольгой и закреплен с зеркалом на одном конце, как показано на рисунке выше (температура стержня контролируется, что позволяет рассчитать коэффициент теплового расширения по изменению температуры и количеству полос, смещающихся из центра интерференционной картины при расширении стержня).* Эта сборка заменяет зеркало на конце одного из плеч интерферометра, и установка настраивается так, чтобы интерференция была видна. Температурный датчик вставляется в задний конец алюминиевого стержня, позволяя записывать температуру стержня. Нагреватель подключается к источнику напряжения, нагревая стержень и вызывая его расширение, что, в свою очередь, приводит к смещению зеркала. Студенты подсчитывают количество переходов "темнота-свет" в центре интерференционной картины во время этого процесса, что соответствует изменению оптической длины пути, вызванному расширением стержня. Коэффициент теплового расширения α можно рассчитать по формуле: α = Nλ/2L0ΔT, где N — количество переходов "темнота-свет", λ — длина волны источника света, L0 — исходная длина стержня, а ΔT — изменение температуры.
*Необходимый регулируемый источник питания для нагревателя не входит в комплект.

Обнаружение гравитационных волн с помощью интерферометров Майкельсона

Недавним применением интерферометра Майкельсона, привлекшим международное внимание, стало обнаружение гравитационных волн. Гравитационные волны — это колебания кривизны пространства-времени, вызванные столкновениями черных дыр, нейтронных звезд и другими астрофизическими процессами, связанными с высокой концентрацией массы и энергии, движущейся с релятивистскими скоростями. Для обнаружения этих волн была создана сеть лазерных интерферометров в нескольких странах, включая Лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO) в США, VIRGO в Италии, GEO600 в Германии и KAGRA в Японии. Все эти эксперименты основаны на интерферометре Майкельсона с длиной плеч в несколько километров. Зеркала подвешены и могут свободно колебаться в плоскости интерферометра. Проходящая гравитационная волна сжимает расстояние между зеркалом и делителем луча в одном плече интерферометра, одновременно растягивая это расстояние в другом плече. Осциллирующий сигнал, вызванный прохождением волны, регистрируется фотодетектором.
14 сентября 2015 года два детектора LIGO (в штатах Вашингтон и Луизиана) впервые зафиксировали гравитационную волну. Сигнал (который был измерен с высокой точностью обоими детекторами) был вызван слиянием двух черных дыр, находящихся на расстоянии около миллиарда световых лет. Этот сигнал вызвал смещение зеркал LIGO примерно на 10-18 метра, что составляет почти одну тысячную диаметра протона. Таким образом, интерферометры Майкельсона способны выполнять одни из самых точных измерений длины. LIGO и его партнерские обсерватории значительно сложнее интерферометра в этом лабораторном стенде, но основной физический принцип их работы — это интерферометрия Майкельсона.
После сборки, интерферометр Майкельсона можно использовать как простую демонстрацию принципов работы гравитационно-волновых детекторов, таких как LIGO, Virgo и GEO600. В этих интерферометрах с длиной плеч в несколько километров зеркала свободно колеблются в плоскости интерферометра в ответ на проходящие гравитационные волны. Эти волны сжимают одно плечо интерферометра, одновременно растягивая другое. В нашем лабораторном стенде зеркала не колеблются, но эффект гравитационной волны можно имитировать с помощью локальной вибрации стола или акустического источника. Это изменит относительную длину плеч, что приведет к осцилляции интерференционной картины и изменению яркости центрального максимума.