Lineare Aufnahme einer Intensitätsverteilung

[Technipion]

Hallo Welt,
ich hätte da mal eine kleine Frage an die vielen Experten hier im Forum :D

Als ich während meines Physik-Studiums Praktikum hatte gab es einen Demonstrationsversuch für Einzel- und Doppelspalt. Mit einer Laserdiode wurde eben ein Einzel-/Doppelspalt beleuchtet, und normalerweise gibt es dann hinter dem Spalt einen Schirm an dem man das Beugungsmuster, bzw. die Intensitätsverteilung, beobachten kann. Bei dem Demonstrationsversuch wollten wir allerdings "genau" nachprüfen wie gut die Vorhersagen der Theorie sind. Deshalb gab es keinen Schirm, sondern eine Fotodiode ist hinter dem Spalt das Beugungsmuster abgefahren. Die gemessene Intensität wurde dann auf einen Computer (noch DOS) übertragen und im Terminal geplottet.
Ich würde jetzt gerne so einen Demonstrationsversuch für Schüler nachbauen. Eigentlich komme ich eher aus dem Software-Regime, habe aber schon mit Arduinos/Raspberry PIs/etc. gearbeitet, und würde sagen, dass zumindest die Elektronik-Basics sitzen. Also bin quasi fortgeschrittener Anfänger.

Meine Frage: Wie würdet ihr die Intensitätsverteilung hinter dem Spalt abfahren? Idealerweise hätte ich gerne eine "Auflösung" von unter 0,1mm. Wir haben im Praktikum mit verschiedenen Apparaten gearbeitet, z.B. mit Zahnrädern über die eine Art Riemen mit Zähnen gespannt war. Oder bei einem Rastertunnelmikroskop wurde die Spitze mit einem Piezoelement gefahren. Das erste ist aber glaube ich zu ungenau und das zweite viel zu genau. Ich glaube im Spaltversuch ist der Sensor mit einem Zahnrad und einer Art Zahnstange angetrieben worden.

Ein Hinweis noch: Für den Versuch muss der Sensor nicht spezielle Koordinaten anfahren können. Also sowas wie "Sensor fahre auf Position x=22,3mm" muss er nicht können; es reicht wenn das Beugungsmuster in einem kontinuierlichen Schritt abgefahren wird, weil ich ja die x-Koordinate aus dem Zeitpunkt des Signals ermitteln kann. (wenn der Motor konstant fährt)

Danke im Voraus für jede Hilfe.

Gruß Technipion

[Ceos]

Entweder du nimmst einen Aktuator mit hinreichend Stellgenauigkeit (Schrittmotor... mit Getrieb in deinem Fall denn er muss ja nicht schnell nur halbwegs präzise sein)

oder du nimmst einfach irgendeinen einen Getriebemotor und einen Dreh-/Wegsensor der hinreichend genau auflöst und zeichnest Intensität und Winkel während der Fahrt gemeinsam auf um hinterher linear zu interpolieren

Soll dein virtueller Schirm denn gerade sein oder als Kreisabschnitt um den Spalt herum?

[ARetobor]

Hallo,
das Ergebnisbild würde ich mit einer Kamera aufnehmen und auswerten.
Bei dem Raspberry pi mit seinem Kameramodul (8 Mpixel) halten sich
auch die Kosten in Grenzen.
Bei Einer Nahaufnahme sind dann 0,1 mm Auflösung kein Problem.
Software für Aufnahmen ist auch reichlich vorhanden.
Und die Rechenleistung PI 3 + ist auch ausreichend.

Gruß
ARetobor

PS anbei ein Bild
die dargestellte Drahtstärke ist 0,4 mm

33724

[oberallgeier]

.. normalerweise .. einen Schirm .. Intensitätsverteilung, beobachten kann .. wollten .. "genau" nachprüfen .. Fotodiode .. gemessene Intensität ..Abgesehen vom mechanischen Aufbau - dürfte der Messfehler bei dem Verfahren nicht unerheblich sein. Soweit meine dünnen Kenntnisse zu Fotodioden reichen, haben die - natürlich - eine Empfindlichkeitsverteilung über den Spektralbereich. Eine Verteilung deren lokaler Wert und deren Stetigkeit oder besser Unstetigkeit doch vorzugsweise nicht bekannt sind. Und wenn die Empfindlichkeit bei einer bestimmten Wellenlänge Null ist, kann wohl kein von Null verschiedener Messwert erwartet werden unabhängig von der Intensität der auftreffenden Strahlung. Das Ergebnis wird dann eine Superposition von Intensitätsverteilung und Empfindlichkeitsverteilung sein. Intensitätsverteilung des Beugungsbildes und spektrale Empfindlichkeitsverteilung der Fotodiode. Solange letztere nicht bekannt ist, wird man erstere nicht richtig bewerten können.


.. wollten wir allerdings "genau" nachprüfen wie gut die Vorhersagen der Theorie sind ..Der Versuch ist doch wohl eher geeignet zu zeigen wie problematisch Messverfahren sein können. Nach dem Motto: wer viel mißt, mißt Mist.

[ARetobor]

So groß kann der Fehler nicht sein.
Ich erinnere nur an einen Flachbettscanner.
Gruß

[oberallgeier]

So groß kann der Fehler nicht sein ..Na gut.

Beisp.1, BPW 34, laut Datenblatt ".. Speziell geeignet für Anwendungen im Bereich von 400 nm bis 1100 nm .." :

......https://dl.dropbox.com/s/7cgolky5mm1sx5f/bpw34-relSpE.jpg?dl=0
................© OSRAM

Beisp.2 Wikipedia, Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts :
......https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/31/Empfindlichkeit_silizium_photodiode.svg/272px-Empfindlichkeit_silizium_photodiode.svg.png

Schwankungen 1:8 oder 2:5 . . . ist ja noch einstellig.

[Technipion]

Wow, zunächst mal Danke für die vielen Antworten!


Abgesehen vom mechanischen Aufbau - dürfte der Messfehler bei dem Verfahren nicht unerheblich sein. Soweit meine dünnen Kenntnisse zu Fotodioden reichen, haben die - natürlich - eine Empfindlichkeitsverteilung über den Spektralbereich.
Ja da hast du natürlich Recht. Und im Prinzip wäre das ein ziemliches Problem, allerdings werden die optischen Spalte bei diesem Versuch mit einer Laserdiode bestrahlt - also quasi monochromatisch. Wäre aber tatsächlich eine interessante Abwandlung des Versuchs, ein chromatisches Spektrum aufzunehmen.

Die Idee mit der Kamera hat natürlich auch was. Allerdings muss ich dazusagen, dass der ganze Versuchsaufbau ja als Demonstrationsexperiment gedacht ist. Also im Prinzip geht es darum den Schülern (und Studenten) zu zeigen, wie man so ein Experiment durchführen kann, und dann insbesondere wie man Daten aufnimmt, plottet, auswertet und in das Versuchsprotokoll einfügt. Das ist also eigentlich die ganze Idee dahinter, deshalb sollen die Daten auch als .csv abgespeichert und den Schülern/Studenten mitgegeben werden. Dann können die mal das Plotten üben ;)
Also auch wenn die Kamera-Idee wohl das eleganteste wäre, geht es wie gesagt hier ums Prinzip.


Soll dein virtueller Schirm denn gerade sein oder als Kreisabschnitt um den Spalt herum?
Das Beugungsmuster soll linear abgefahren werden. Eine der Aufgaben der Studis ist es dann, die ganze Geschichte zu projizieren :p

Ich schaue mich mal nach den Bauteilen dafür um. Gibt es solche linearen Aktuatoren denn schon als fertige Bausätze oder wie bezieht man die?

Gruß Technipion

[oberallgeier]

.. die optischen Spalte bei diesem Versuch mit einer Laserdiode bestrahlt - also quasi monochromatisch ..Aua - da hätte ich drüber stolpern müssen. Steht ja auch gaaanz oben :-/


.. Gibt es solche linearen Aktuatoren denn schon als fertige Bausätze oder wie bezieht man die? ..Na ja, dafür hätte ich ein altes Floppylaufwerk aus meiner Bastelkiste genommen (oder ein altes CD-Laufwerk?). Bastlerlösung(en).

[Klebwax]

Ich würde einen digitalen Messschieber verwenden. Alle, die ich bisher in der Hand hatte, haben eine Schnittstelle, an der man die Position auslesen kann. Die nominelle Auflösung ist 0,01mm. Intern ist sie IMHO sogar besser, müsste ich nochmal nachsehen. Wenn man etwas Zeit für die Lieferung aus China hat, ist man für weniger als 5€ dabei, sonst werden es aber auch nur um die 10€.

Das Basisteil wird horizontal montiert. Auf dem Schlitten wird der Sensor angebracht. Der Schlitten wird dann einfach von Hand verschoben und ein kleiner µC misst Intensität und Position. Die Daten werden dann zu einem PC übertragen, Doubletten werden aussortiert oder gemittelt und dann alles ausgewertet. Ich hab mal so ein Interface gebaut und programmiert, um ein großes Display anzusteuern.

MfG Klebwax

[Technipion]

Das mit dem Floppy-/CD-Laufwerk ist ja eine super Idee! Macht ja auch eigentlich total Sinn, schließlich wurde die Mechanik darin speziell dafür entwickelt, eine Strecke von einigen cm präzise abfahren zu können.
Ich denke mit ein wenig Herumprobieren sollte sich das auch mit einem Arduino steuern lassen. Evtl. kann ein geschickter Bastler sogar die Laserdiode im Schlitten mit einer Photodiode ersetzen. Materialpreis ist dann wahrscheinlich geschenkt. (So alte Laufwerke kriegt man ja hier und da kostenlos, weil die Leute sie loshaben wollen)

Die Idee mit dem digitalen Messschieber ist natürlich auch super, da gibt es allerdings das Problem, dass mir dann der Antrieb fehlt. Man könnte natürlich per Hand antreiben, aber die ganze Apparatur soll eigentlich in einer "Dunkelkammer" betrieben werden. (Ist nur ein Holzkasten mit aufklappbarem Seitenteil, der innen schwarz ausgemalt ist... jopp Leute, so sieht's in Deutschland mit den finanziellen Mitteln an Unis aus)

Falls das CD-Laufwerk aus irgendeinem Grund nicht genau genug sein sollte, könnte man ja zusätzlich noch einen Messschieber zur Positionsfeststellung benutzen.

Ich werde mir die Geschichte auf jeden Fall mal genauer anschauen, weiß aber nicht ob das dieses Semester noch etwas wird. Sobald das Projekt fertig ist (oder falls ich auf Probleme stoße) melde ich mich natürlich wieder hier ;)

Danke für die guten Ideen!

[oberallgeier]

Das mit dem Floppy-/CD-Laufwerk ist ja eine super Idee ..Stammt leider nicht von mir. Ob ein CD-Laufwerk "bastelfreudig" ist weiß ich nicht, aber alte Floppylaufwerke 3½" hab ich hier rumliegen, die sehen mechanisch sehr "brav" aus.


.. "Dunkelkammer" .. ein Holzkasten mit aufklappbarem Seitenteil, der innen schwarz ausgemalt ist ..Hmmm, grübelgrübel, da hatte ich doch etwas in der Art mal rumliegen . . . (https://www.roboternetz.de/community/threads/70242-Schr%C3%B6dingers-Katze-Quantenmechanik-am-Schreibtisch)