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Tutorial MenueWellenoptikLerneinheit 21 von 23

Kohärenz - wichtige Voraussetzung für die Interferenz von Lichtwellen

Versuch von Pohl - Versuchsbeschreibung

Der Versuch von Pohl - Bitte keine Gangunterschiede, die die Kohärenzlänge überschreiten! - 1.Teil

Zum Abschluss unserer Überlegungen zur Kohärenz von Licht wollen wir uns den Interferenzversuch von Pohl ansehen. Dieser ist mit sehr geringem Aufwand durchführbar.

Man lässt dazu das Licht einer Niederdruck-Quecksilberlampe (Hauptspektrallinie λ 0 = 546 nm ) auf ein dünnes Glimmerblatt (Dicke d = 100 μm ) fallen. Glimmer wird hier verwendet, da sich dieser als Kristall leicht in homogene, plane Platten der gewünschten Schichtdicke spalten lässt. Ein Teil der einfallenden Wellenfront wird an der Vorder-, ein anderer Teil an der Rückseite des Glimmers reflektiert, wodurch die beiden Wellenzüge eine unterschiedliche optische Weglänge zurücklegen, bis sie anschließend auf einem weit entfernten Sichtschirm miteinander interferieren. Das Besondere ist hier, dass die räumliche Kohärenz zwischen den beiden Lichtquellen (reflektierende Orte an Vorder- bzw. Rückseite) durch deren enges Nebeneinanderliegen praktisch von selbst erfüllt ist. Den Versuchsaufbau sehen Sie schematisch in der nächsten Abbildung.

Abb.1
Versuch von Pohl, schematisch

Auf dem Sichtschirm werden die für diesen Versuch typischen Interferenzringe sichtbar, und zwar Intensitätsmaxima (helle Ringe) wie gewohnt unter allen Winkeln, für die die optische Wegdifferenz Δ ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ 0 beträgt. Entsprechend werden natürlich Intensitätsminima (dunkle Ringe) unter Winkeln sichtbar, für die die optische Weglängendifferenz Δ ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge λ 0 beträgt.

Diese optische Weglängendifferenz Δ wollen wir jetzt in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α berechnen (die detaillierten Begründungen der einzelnen Schritte finden Sie im Abschnitt Interferenz an dünnen Schichten!)

Abb.2
Zur Berechnung der optischen Weglängendifferenz Δ beim Versuch von Pohl

Ab dem Punkt, in dem sich der ursprüngliche einfallende Strahl auf der Vorderseite des Glimmerblatts in zwei Teilstrahlen aufteilt, bis zur Höhe des gestrichelt eingezeichneten Lots vom Austrittspunkt des ersten Strahls auf Strahl 2 legen beide Teilwellen unterschiedlich lange Wege zurück, die zudem durch Medien unterschiedlicher Brechzahlen (Luft mit n 1 , Glimmer mit Brechzahl n ) zurück. Deren Differenz bedingt die Phasendifferenz der sich auf dem Schirm überlagernden Wellen. Die optische Weglänge Δ 1 von Strahl 1 errechnet sich unter Berücksichtigung der stattfindenden Brechung zu: Δ 1 = 2 n 2 d n 2 sin 2 α Die optische Weglänge Δ 2 von Strahl 2 errechnet sich, diesmal unter Berücksichtigung des Phasensprungs von π (Reflexion am dichteren Medium, entspricht einer halben Wellenlänge Wegdifferenz!) zu: Δ 2 = 2 d sin 2 α n 2 sin 2 α λ 2 Die optische Weglängendifferenz Δ beträgt also: Δ = Δ 1 Δ 2 = 2 d n 2 sin 2 α λ 2 Wir sehen anhand dieser Gleichung, dass die optische Weglängendifferenz für kleine Winkel α , die den inneren Interferenzringen entsprechen, größer ist als für größere Winkel α , die den Bereichen der äußeren Interferenzringe entsprechen. Diese Tatsache werden wir gleich noch einmal benötigen.

Den realen Versuchsaufbau sowie die auf dem Sichtschirm entstehenden Interferenzringe betrachten wir im folgenden Video.

Abb.3
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