Интерферометр
http://mprojectlab.com/
У вас нет дома интерферометра? Странно. У каждого образованного человека дома должен быть интерферометр. Только не спрашивайте зачем. Я же не спрашиваю, зачем вы смотрите телевизор и прочее.
Схем интерферометров великое множество. Майкельсона, Фабри-Перо, Жамена....
Я реализовал схему интерферометра Рождественского.( С его помощью можно провести эксперимент Галаева.) Его особенность в том, что интерферирующие лучи идут раздельно и в один из них можно вносить какое либо возмущение, изменяющее его оптический путь и очень точно детектировать это по интерференционной картине.
Некоторые ссылки на полезную для проекта информацию:
Самодельное оптическое оборудование.
Измерение параметров генерации лазерных диодов.
Типы корпусов лазерных диодов.
Обновим знания по волновой оптике:
Физический практикум: Оптика.
Посмотрим, что уже сделано в этом направлении:
DIY: Michelson interferometer.
Homemade laser interferometer.
17.09.2013 На коленке на столе из подручных материалов получил картинку по схеме Майкельсона. Просто что бы убедиться, что правильно понимаю что делаю. Дрожит. Её бы на гранитной плите сделать. Все очень чувствительно к малейшим перемещениям. Конечно, речь идет о перемещениях порядка десятков нанометров.
22.09.2013
Получил картинку на интерферометре Рождественского. Красивые, мелкие параллельные линии. Надо поработать над качеством источника излучения. Плюс, соответственно, собрать все на жесткой платформе.
23.09.2013
Купил два лазерных модуля:
У вас нет дома интерферометра? Странно. У каждого образованного человека дома должен быть интерферометр. Только не спрашивайте зачем. Я же не спрашиваю, зачем вы смотрите телевизор и прочее.
Схем интерферометров великое множество. Майкельсона, Фабри-Перо, Жамена....
Я реализовал схему интерферометра Рождественского.( С его помощью можно провести эксперимент Галаева.) Его особенность в том, что интерферирующие лучи идут раздельно и в один из них можно вносить какое либо возмущение, изменяющее его оптический путь и очень точно детектировать это по интерференционной картине.
Некоторые ссылки на полезную для проекта информацию:
Самодельное оптическое оборудование.
Измерение параметров генерации лазерных диодов.
Типы корпусов лазерных диодов.
Обновим знания по волновой оптике:
Физический практикум: Оптика.
Посмотрим, что уже сделано в этом направлении:
DIY: Michelson interferometer.
Homemade laser interferometer.
17.09.2013 На коленке на столе из подручных материалов получил картинку по схеме Майкельсона. Просто что бы убедиться, что правильно понимаю что делаю. Дрожит. Её бы на гранитной плите сделать. Все очень чувствительно к малейшим перемещениям. Конечно, речь идет о перемещениях порядка десятков нанометров.
22.09.2013
Получил картинку на интерферометре Рождественского. Красивые, мелкие параллельные линии. Надо поработать над качеством источника излучения. Плюс, соответственно, собрать все на жесткой платформе.
23.09.2013
Купил два лазерных модуля:
F-LASER 635nm (ML-SHW-635-05-D) 5mW 3V http://gme.cz/f-laser-635-5mw-p758-008
F-LASER 5MW 650nm ( ML-SHW-650-05-D) 5mW 3V http://gme.cz/f-laser-5mw-p759-040
Теперь надо проверить их на интерферометре Френеля и попробовать настроить их в одномодовый режим, если это необходимо. Для интерферометра Френеля использовал полупрозрачные зеркала от DVD RW, в качестве держателя нашел замечательные латунные шайбы с внешним диаметром 20мм а внутренним 8мм.
Немножко математики что бы мозг не ржавел:
ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.
A Low Cost Scanning Fabry Perot Interferometer for Student Laboratory.
24.09.2013
Получил замечательный результат. Для реализации схемы Рождественского необходимо иметь два непрозрачных зеркала и два полупрозрачных зеркала. В качестве непрозрачных зеркал я использовал зеркала из косметички со снятой защитной краской со стороны зеркального покрытия. Из такого зеркала я вырезал четыре кусочка размером 10 х 15. Два из них были приклеены к устройству юстировки, а с оставшихся двух соляной кислотой был снят зеркальный слой и они использовались как полупрозрачные зеркала и монтировались жестко на стойки для крепления зеркал. Линзу взял от китайского светодиодного фонарика. Лазер оказался весьма приличного качества и давал замечательную картинку. Смонтировал все на станине от сверлильного станочка.
Получилось вот так:
Рисунок 1: Общий вид.
Рисунок 2: Еще более общий вид. :)
Рисунок 3: Действующий интерферометр.
На рис.3 показан действующий интерферометр и система визуализации состоящая из CCD
видео модуля и цветного дисплея. Линза проецирует изображение полос прямо на CCD матрицу. Это позволяет заменить обычный окуляр.
Вот изображение полос на дисплее:
Рисунок 4: Изображение интерференционных полос на дисплее.
Рисунок 5: Узел юстировки непрозрачного зеркала.
Рисунок 6: Крепление полупрозрачного зеркала.
Рисунок 7: Крепление лазера.
Рисунок 8: Полосы интерференции на белом экране.
Теперь можно подумать о том как бы это все собрать на нормально станине. Над креплением CCD камеры и дисплея. В виду совершенно не гуманных цен на металлическую станину попробую заменить ее на композитную из дерева и керамики.
25.09.2013
В связи с наличием процессора и дисплея на борту хочется его как то использовать, а не только картинку на нем смотреть, которой можно и на бумажном экране замечательно любоваться. Например добавить измерение температуры платформы в разных точках. И еще можно делать анализ сдвига фазы( т.е. анализировать куда и на сколько смещаются интерференционные полосы) и выводить его на график на дисплей и по блютузу отправлять на ноутбук для дальнейшей обработки. Таким образом можно учесть корреляцию температуры и сдвига фазы.
Ссылка для размышлений:
/* Распознавание цифр. */
29.09.2013
Логичное продолжение конструкции:
Рисунок 9: Новая конструкция интерферометра.
Керамическая плита в качестве платформы, смонтирована на амортизаторах на деревянной плите. Это решение позволило увеличить расстояние от первой стойки до второй до 50 см и заметно снизить чувствительность к вибрациям и статическим нагрузкам.
09.10.2013
Добавлено много мелких улучшений.
Рисунок 10: Улучшенная конструкция интерферометра.
Сделал узел крепления лазера, позволяющий в небольших пределах очень точно юстировать лазер по отношению к зеркалам.
Рисунок 11: Узел крепления лазера (слева вверху).
Переставил CCD сенсор вплотную к первому зеркалу(часть CCD видно на рис.11 в правом нижнем углу), что бы увеличить путь луча и разрешение точек на линию. Сделал зеркальный отражатель на 180 градусов, направляющий луч в матрицу.
Рисунок 12: Уголок отражатель с регулировкой положения второго зеркала.
Сейчас на один период полос приходится около восьмидесяти точек матрицы ( надо еще подробнее в этом разобраться, как бы их там не было в два раза больше).
Рисунок 13: Вид информации на дисплее.
Что в пересчете на одну точку дает 0.0125 полосы, что почти в пять раз лучше чувствительности референтного образца и снижает порог обнаружения гипотетической скорости с 20 км/сек до 5 км/сек. Но по прежнему не удается достичь достаточной конструкционной стабильности для пространственных манипуляций с интерферометром.
Вот как плавает координата максимума первой полосы:
Рисунок 14: Качественный* график координаты максимума первой полосы.
* Надписи на графике не соответствуют действительности. По горизонтали отсчеты обработки данных с матрицы, по вертикали горизонтальная координата первой полосы.
Как видно из графика, за время наблюдения(порядка двух минут) полоса уплыла с в среднем на 50 точек, что при ширине полосы в 80 точек составляет больше половины ширины. И не проходит тест на жесткость. Что то с ним не так. Попробую поразмыслить над стальным швеллером в качестве основания для зеркал.
14.10.2013.
Переделал конструкцию. Заменил станину и практически все остальное. Сделал корпус из пенопласта, от сквозняков.
Рисунок 15: Новая, улучшенная конструкция интерферометра.
В качестве станины использован швеллер 100х50х600 мм. Места для крепления модулей зеркал изготовлены из прямоугольных стальных брусков 25х25х70мм и привинчены к станине двумя болтами М5 каждый:
Рисунок 16: Крепление узла с зеркалами.
Управляющая программа для контроллера обзавелась работающим тачскрином, для переключения режимов работы, а в остальном пока осталась без изменений:
Рисунок 17: Экран контроллера интерферометра.
Теперь график практически стабилен:
http://youtu.be/Ys1NUu8gVW0
Рисунок 18: График текущей координаты линии интерференции.
В основном колебания плюс минус одна точка. (Можно сравнить с дрейфом позиции на Рис. 14)Что соответствует, при данных настройках интерферометра, слежению за позицией линии с точностью примерно 0.01+0.005 от ширины периода линии.
Очевидно, что швеллер реально помог улучшить стабильность показаний. Теперь следующим этапом надо улучшить алгоритм слежения за центром полосы, что , теоретически, позволит избавиться от иголок на графике ( каждая иголка это потеря центра текущей линии ) . Плюс надо добавить запись в файл в интерфейсной программе. К контроллеру надо подключить блютус модуль, что бы избавиться от проводов и сразу передавать данные на комп или в планшет. Да и мало ли в процессе, что еще в голову придет. А вот интерферометр пора привинчивать к вращающемуся основанию, которое надо еще придумать и сделать.
30.10.2013
Оказалось лазер очень не стабилен. надо подбирать ток, что бы обеспечить, как я полагаю, хорошее качество излучения. (Одномодовость и длину когерентности.)
31.10.2013
Смещение полосы интерференции при вращении интерферометра на 180 градусов.
Ширина периода около 100 точек.
A - поворот на 180 против часовой,
B - поворот на 180 против часовой,
C - поворот на 180 по часовой,
D - поворот на 180 по часовой.
A1-A2,B1-B2,C1-C2,D1-D2 начало и окончание поворота интерферометра.
A2-B1,B2-C1,C2-D1 - релаксация.
Я бы объяснил это поведение движением массы воздуха внутри пенопластового корпуса интерферометра. Пока что эксперимент Галаева не выглядит убедительным.
Рисунок 19: Испытания интерферометра.
05.11.2013
В последнюю конструкцию интерферометра был добавлен БлюТуз модуль. Это позволяет снимать данные с сенсора удаленно ( Например рис 19. ). После серии испытаний было выяснено что интерференционная картинка пропадает из за изменения режима лазера и что источник лазерного излучения не стабилен и его надо подстраивать в случае пропадания интерференционной картины. Не совсем понятно, это нестабильность от времени или от температуры ( от температуры точно он плывет, но не совсем ясно поможет ли стабилизация температуры). Теперь стало гораздо понятей почему пропадала картинка. Достаточно чуть подобрать ток лазерного диода и все стабилизируется.
Следуещее, что показало себя неудовлетворительно это жесткость всей системы. При вращении линии интерференции плывут и не всегда одинаково ( при соблюдении остальных условий вращения ) Это смазывает график смещения линий и мешает наблюдениям. В попытке уменьшить этот эффект надо будет полностью изменить узел крепления зеркал на что то типа металического монстра - куски стали свинченные болтами М5. И посадить зеркала на жесткий клей или еще что то выдумать для крепления.
ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.
A Low Cost Scanning Fabry Perot Interferometer for Student Laboratory.
24.09.2013
Получил замечательный результат. Для реализации схемы Рождественского необходимо иметь два непрозрачных зеркала и два полупрозрачных зеркала. В качестве непрозрачных зеркал я использовал зеркала из косметички со снятой защитной краской со стороны зеркального покрытия. Из такого зеркала я вырезал четыре кусочка размером 10 х 15. Два из них были приклеены к устройству юстировки, а с оставшихся двух соляной кислотой был снят зеркальный слой и они использовались как полупрозрачные зеркала и монтировались жестко на стойки для крепления зеркал. Линзу взял от китайского светодиодного фонарика. Лазер оказался весьма приличного качества и давал замечательную картинку. Смонтировал все на станине от сверлильного станочка.
Получилось вот так:
Рисунок 1: Общий вид.
Рисунок 2: Еще более общий вид. :)
Рисунок 3: Действующий интерферометр.
На рис.3 показан действующий интерферометр и система визуализации состоящая из CCD
видео модуля и цветного дисплея. Линза проецирует изображение полос прямо на CCD матрицу. Это позволяет заменить обычный окуляр.
Вот изображение полос на дисплее:
Рисунок 5: Узел юстировки непрозрачного зеркала.
Рисунок 8: Полосы интерференции на белом экране.
Теперь можно подумать о том как бы это все собрать на нормально станине. Над креплением CCD камеры и дисплея. В виду совершенно не гуманных цен на металлическую станину попробую заменить ее на композитную из дерева и керамики.
25.09.2013
В связи с наличием процессора и дисплея на борту хочется его как то использовать, а не только картинку на нем смотреть, которой можно и на бумажном экране замечательно любоваться. Например добавить измерение температуры платформы в разных точках. И еще можно делать анализ сдвига фазы( т.е. анализировать куда и на сколько смещаются интерференционные полосы) и выводить его на график на дисплей и по блютузу отправлять на ноутбук для дальнейшей обработки. Таким образом можно учесть корреляцию температуры и сдвига фазы.
Ссылка для размышлений:
/* Распознавание цифр. */
29.09.2013
Логичное продолжение конструкции:
Рисунок 9: Новая конструкция интерферометра.
Керамическая плита в качестве платформы, смонтирована на амортизаторах на деревянной плите. Это решение позволило увеличить расстояние от первой стойки до второй до 50 см и заметно снизить чувствительность к вибрациям и статическим нагрузкам.
09.10.2013
Добавлено много мелких улучшений.
Сделал узел крепления лазера, позволяющий в небольших пределах очень точно юстировать лазер по отношению к зеркалам.
Переставил CCD сенсор вплотную к первому зеркалу(часть CCD видно на рис.11 в правом нижнем углу), что бы увеличить путь луча и разрешение точек на линию. Сделал зеркальный отражатель на 180 градусов, направляющий луч в матрицу.
Рисунок 12: Уголок отражатель с регулировкой положения второго зеркала.
Сейчас на один период полос приходится около восьмидесяти точек матрицы ( надо еще подробнее в этом разобраться, как бы их там не было в два раза больше).
Что в пересчете на одну точку дает 0.0125 полосы, что почти в пять раз лучше чувствительности референтного образца и снижает порог обнаружения гипотетической скорости с 20 км/сек до 5 км/сек. Но по прежнему не удается достичь достаточной конструкционной стабильности для пространственных манипуляций с интерферометром.
Вот как плавает координата максимума первой полосы:
* Надписи на графике не соответствуют действительности. По горизонтали отсчеты обработки данных с матрицы, по вертикали горизонтальная координата первой полосы.
Как видно из графика, за время наблюдения(порядка двух минут) полоса уплыла с в среднем на 50 точек, что при ширине полосы в 80 точек составляет больше половины ширины. И не проходит тест на жесткость. Что то с ним не так. Попробую поразмыслить над стальным швеллером в качестве основания для зеркал.
14.10.2013.
Переделал конструкцию. Заменил станину и практически все остальное. Сделал корпус из пенопласта, от сквозняков.
В качестве станины использован швеллер 100х50х600 мм. Места для крепления модулей зеркал изготовлены из прямоугольных стальных брусков 25х25х70мм и привинчены к станине двумя болтами М5 каждый:
Рисунок 16: Крепление узла с зеркалами.
Управляющая программа для контроллера обзавелась работающим тачскрином, для переключения режимов работы, а в остальном пока осталась без изменений:
Рисунок 17: Экран контроллера интерферометра.
Теперь график практически стабилен:
http://youtu.be/Ys1NUu8gVW0
В основном колебания плюс минус одна точка. (Можно сравнить с дрейфом позиции на Рис. 14)Что соответствует, при данных настройках интерферометра, слежению за позицией линии с точностью примерно 0.01+0.005 от ширины периода линии.
Очевидно, что швеллер реально помог улучшить стабильность показаний. Теперь следующим этапом надо улучшить алгоритм слежения за центром полосы, что , теоретически, позволит избавиться от иголок на графике ( каждая иголка это потеря центра текущей линии ) . Плюс надо добавить запись в файл в интерфейсной программе. К контроллеру надо подключить блютус модуль, что бы избавиться от проводов и сразу передавать данные на комп или в планшет. Да и мало ли в процессе, что еще в голову придет. А вот интерферометр пора привинчивать к вращающемуся основанию, которое надо еще придумать и сделать.
30.10.2013
Оказалось лазер очень не стабилен. надо подбирать ток, что бы обеспечить, как я полагаю, хорошее качество излучения. (Одномодовость и длину когерентности.)
31.10.2013
Смещение полосы интерференции при вращении интерферометра на 180 градусов.
Ширина периода около 100 точек.
A - поворот на 180 против часовой,
B - поворот на 180 против часовой,
C - поворот на 180 по часовой,
D - поворот на 180 по часовой.
A1-A2,B1-B2,C1-C2,D1-D2 начало и окончание поворота интерферометра.
A2-B1,B2-C1,C2-D1 - релаксация.
Я бы объяснил это поведение движением массы воздуха внутри пенопластового корпуса интерферометра. Пока что эксперимент Галаева не выглядит убедительным.
В последнюю конструкцию интерферометра был добавлен БлюТуз модуль. Это позволяет снимать данные с сенсора удаленно ( Например рис 19. ). После серии испытаний было выяснено что интерференционная картинка пропадает из за изменения режима лазера и что источник лазерного излучения не стабилен и его надо подстраивать в случае пропадания интерференционной картины. Не совсем понятно, это нестабильность от времени или от температуры ( от температуры точно он плывет, но не совсем ясно поможет ли стабилизация температуры). Теперь стало гораздо понятей почему пропадала картинка. Достаточно чуть подобрать ток лазерного диода и все стабилизируется.
Следуещее, что показало себя неудовлетворительно это жесткость всей системы. При вращении линии интерференции плывут и не всегда одинаково ( при соблюдении остальных условий вращения ) Это смазывает график смещения линий и мешает наблюдениям. В попытке уменьшить этот эффект надо будет полностью изменить узел крепления зеркал на что то типа металического монстра - куски стали свинченные болтами М5. И посадить зеркала на жесткий клей или еще что то выдумать для крепления.
Комментарии
Отправить комментарий