Das MICHELSON-Interferometer

Das MICHELSON-Interferometer besteht im Wesentlichen aus einem halbdurchlässigen Spiegel, einem fest montierten Spiegel und einen beweglich gelagerten Spiegel.

Strahlengang: Das vom Laser ausgesandte Licht trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel. Dort teilt sich der Strahl auf. Ein Teil des Lichtes (hier grün dargestellt) passiert den halbdurchlässigen Spiegel und gelangt zu Spiegel 2. Der andere Teil des einfallenden Lichtes (hier lila dargestellt) wird am halbdurchlässigen Spiegel reflektiert und gelangt zu Spiegel 1.

An den Spiegeln 1 und 2 wird das Licht vollständig reflektiert und gelangt erneut auf den halbdurchlässigen Spiegel. Dort wird wieder ein Teil des Lichtes reflektiert und ein Teil passiert den Spiegel gradlinig.

Der Teil des Lichtes, der zum Laser reflektiert wird (gestrichelt dargestellt), ist für das weitere Experiment nicht von Interesse.

Die am Schirm interferierenden Strahlen s1 und s2 haben zwei unterschiedliche Wege zurückgelegt. Der Abstand von Spiegel 1 zum halbdurchlässigen Spiegel ist unveränderlich. Der Abstand von Spiegel 2 zum halbdurchlässigen Spiegel ist über eine Feinschraube veränderlich. Dadurch kann die Länge des Strahlengangs s2 variiert werden.

Die Wellenlänge des einfallenden Strahls wird bei der Reflexion und Transmission nicht geändert. Die Strahlen sind nur zur besseren Unterscheidung der Strahlengänge in lila und grün dargestellt.

Zwei Strahlen interferieren konstruktiv, wenn der Gangunterschied δ ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist. δ = n · λ

Wenn die Strahlen konstruktiv interferieren, dann sehen wir in der Mitte des Schirms einen roten Punkt. (Die Entstehung der Kreise wird später erklärt) Im Falle der destruktiven Interferenz löschen sich die einfallenden Strahlen aus.

Wenn jetzt Spiegel 2 um die Strecke d verschoben wird, dann ändert sich die Weglänge s2. Da der (grüne Strahl) auf seinem Weg die Strecke zwischen halbdurchlässigem Spiegel und Spiegel 2 zweimal zurücklegt, ändert sich der Weg von s2 um den Betrag 2d.

Es gilt also: δ = 2d

Damit ändert sich auch das Interferenzbild. In der folgenden Animation soll die Interferenz verdeutlicht werden.

Bauteile

halbdurchlässiger Spiegel: Bei der Verwendung von Licht, erfüllt eine Glasplatte die Anforderungen an einen halbdurchlässigen Spiegel. Die Glasplatte ist so beschaffen, dass sie den einfallenden Strahl annähernd zu gleichen Teilen reflektiert bzw. passieren lässt.

Für andere Quellen eignen sich andere Gegenstände als halbdurchlässiger Spiegel. Für die Mikrowellenapparatur, die in vielen Physiksammlungen vorhanden ist, hat sich eine Glasplatte der Stärke 3 mm als geeignet erwiesen. Für Ultraschall sind z.B. Lochrasterplatinen geeignet.

Spiegel 1 und 2: Beide Spiegel sind senkrecht zum Strahlengang ausgerichtet, so dass das einfallende Licht  auf dem gleichen Weg reflektiert wird. Spiegel 2 ist über eine Feinschraube und eine Messeinheit so gelagert, dass seine Verschiebung im 1 µm Bereich gemessen werden kann.

Linse: Die Linse hat die Funktion, den sehr engen Lichtkegel des Laserstrahls leicht auszuweiten. Die Linse hat mit einer Brennweite von 20 cm bis 50 cm nur eine sehr geringe Brechkraft. 

Entstehung der Ringe

Solange der stark fokussierte Laserstrahl auf die MICHLSON Apparatur fällt, sind keine Ringe zu beobachten. Wie können am Schirm nur zwei Laserpunkte beobachten. Die zwei Punkte entstehen, da im Normalfall die Strahlengänge nicht identisch sind bzw. in exakt einer Ebene liegen. Diese beiden Punkte können zur Justage des Aufbaus genutzt werden. Am festen Spiegel (Spiegel 1) befinden sich 2 Schrauben, mit denen der Spiegel vertikal und horizontal so geneigt werden kann, dass beide Punkte übereinander liegen.

Wenn jetzt die Linse (f = 20 cm) in den Strahlengang gebracht wird, dann wird der Laserstrahl leicht aufgeweitet. Innerhalb des aufgeweiteten Strahlenbündels legen die einzelnen Strahlen unterschiedliche Wege bis zum Schirm zurück. (s. Abbildung) Wie bei allen vorherigen Untersuchungen zur Interferenz gilt:

  • konstruktive Interferenz: δ = n · λ

Da die Linse den Strahl in alle Richtungen aufweitet, können wie am Schirm an den Stellen konstruktiver Interferenz die Ringe sehen. 

MICHELSON – Interferometer mit anderen Strahlungsquellen:

  • Ultraschall
  • Mikrowellen

Andere Interferometer

  • MACH-ZEHNER-Interferometer

MICHELSON Interferometer mit Ultraschall (25 kHz)

Der Aufbau des Experimente MICHELSON Interferometer mit Ultraschall ist prinzipiell gleich dem oben beschrieben Aufbau. Als Spiegel wurden hier Aluplatten verwendet. Der halbdurchlässige Spiegel besteht aus einer 1,5 mm starken, verzinkten Lochstahlplatte. 

Statt der Ringe können hier bei der Verschiebung von Spiegel 2 die Interferenz Minima und Maxima am Oszillographen abgelesen werden. 

Wellenlänge λ:

{\lambda = \frac{c}{f}}

{\lambda = \frac{340 \frac{m}{s}}{25 000 s^{-1}}}

λ = 0,0136 m = 1,36 cm

Das Video zeigt den Versuch – “Michelson-Interferometer mit Ultraschall”. 

Beim Verschieben des Spiegels 2, werden die Minima und Maxima auf dem Oszillographen deutlich.