A1 Zeeman-Effekt / Fabry-Perot

A1 Zeeman-Effekt /
Fabry-Perot-Interferometer
I. Aufgabenstellung
Im ersten Teil sind das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) und die optische Abbildung
zu justieren. Im zweiten Teil wird mit diesem Interferometer der normale ZeemanEffekt an der roten Cadmium-Linie (51D2 – 51P1) studiert. Das FPI wird dabei durch
die gezielte Änderung des Luftdrucks in einem geschlossenen Rezipienten
durchgestimmt (pressure scanning). Eine Cd-Lampe befindet sich im Luftspalt
zwischen den Polen eines starken Elektromagneten. Die Zeeman-Aufspaltung wird
als Funktion der Feldstärke des angelegten Magnetfeldes sowohl in longitudinaler
wie auch in transversaler Richtung gemessen. Zudem werden die
Polarisationseigenschaften der emittierten Strahlung untersucht.
II. Grundlagen
FPI (s. III.a,b):
• Prinzip und Grundgleichung des FPI
• Vielstrahlinterferenz, Airy-Formel
• Freier und auflösbarer Spektralbereich, Finesse
• Einfluß der Oberflächenqualität auf die Finesse
• Dispersion des FPI
• Dielektrische Spiegel
• Vergleich FPI – Gitterspektrometer
• Optischer Aufbau des Versuchs
Zeeman-Effekt (s. III.c):
• Halbklassisches Bild des normalen Zeeman-Effektes
• Magnetisches Moment, Energie im Magnetfeld, Drehimpulsquantelung
• Auswahlregeln, Spektrum mit und ohne Magnetfeld
• Polarisation (klassische Interpretation der orientierten Dipole)
• Quantenmechanische Beschreibung (Hamilton-Operator, Rabifrequenz,
Polarisation, Auswahlregeln)
• LS-Kopplung, magnetisches Moment des Elektrons
• Anomaler Zeeman-Effekt (Vektor-Modell)
• Paschen-Back-Effekt
III. Literaturhinweise
Zum FPI:
a) J.M. Vaughan, The Fabry Perot Interferometer, S. 89-112, 123-127, 154-157,
Adam Hilger, Bristol (1989), UGL 1081
b) W. Demtröder, Laserspektroskopie, 2. Auflage, S. 66-107, Springer Verlag, Berlin
(1991)
Zum Zeeman-Effekt:
c) H. Haken, H.L. Wolf, Atom- und Quantenphysik, S. 183-228, 235-239, Springer
Verlag, Berlin (1990), UHI 1365(4)
d) Als weiterführende Literatur z.B.:
M.A. Morrison, T.L. Estle, N.F. Lane, Quantum States of Atoms, Molecules and
Solids, p. 156-173, Prentice-Hall Inc. (1976), UHK 1195
R. Becker, F. Sauter, Theorie der Elektrizität Bd. II, S. 159-162, B.G. Teubner
Verlagsgesellschaft, Stuttgart (1970), UEB 1017 (21)
IV. Versuchsanordnung
V. Meßprogramm
1. Aufgabe
Zunächst müssen die beiden Spiegel des FPI parallel aufgestellt werden.
Aufbau des He-Ne-Lasers, der Streuscheibe, der Linse L2 (f = 300 mm) und des FPI.
Der helle Fleck des Lasers auf der Streuscheibe dient als Lichtquelle für die
Beleuchtung des FPI.
Beim Blick in das FPI sieht man ein Muster konzentrischer Ringe. Ziel ist es, durch
Drehen an den Schrauben des FPI das „Pumpen“ (dunkle Ringe gehen in helle über)
zum Verschwinden zu bringen oder zumindest zu minimieren.
Aufbau der optische Abbildung entsprechend der Abbildung.
Das FPI wird innerhalb des Rezipienten zentrisch und senkrecht zum Strahlengang
aufgestellt. Bei geöffneter Blende und Einsatz des Rotfilters (F) erkennt man ein
Ringmuster. Diese Justierung kann auch ohne Rotfilter mit Hilfe des auch im Grünen
sichtbaren Ringmusters durchgeführt werden. Der X-Eingang des Schreibers wird mit
dem am Rezipienten befindlichen Drucksensor verbunden. Zur eigentlichen Messung
muß der Rezipient evakuiert und anschließend wieder belüftet werden.
Die Aufnahme eines Spektrums dauert 2 – 3 Minuten. Dabei werden 2 – 3
Interferenzordnungen in dem genannten Druckintervall aufgezeichnet.
2. Aufgabe
Durchführen dieser Messung auch für andere Blenden.
Bestimmung der erreichten Finesse-Werte und der Signalamplituden als Funktion
des Blendendurchmessers aus den Spektren. Ermittlung des „förderlichen“
Blendendurchmessers für die weiteren Messungen.
Erreichbare Finesse-Werte liegen im Bereich um 10. Die Minimalanforderung liegt
bei 7. Wird diese Minimalanforderung, die für eine vernünftige Durchführung des
zweiten Versuchsteils unerläßlich ist, nicht erfüllt, muß die Justierung der optischen
Abbildung überprüft werden.
3. Aufgabe
Messen des Magnetfeldes an der Position der Lampe bei Spulenströmen von bis zu
9A. Die Lampe muß bei diesen Messungen ausgeschaltet sein. Die Anzeige des
Meßgerätes wird mittels des beiliegenden Kalibriermagneten kalibriert.
Aufnahme der Spektren in 1A-Schritten, beginnend bei 9A, bei longitudinaler
Ausrichtung des Magneten. Einsetzen des Polarisators bei einem Strom von 9A.
Aufnahme jeweils eines Spektrums bei horizontaler und vertikaler Einstellung des
Polarisators. Messen bei transversaler Ausrichtung des Magneten. Der Polarisator ist
zur Unterdrückung der unverschobenen π-Komponente unerläßlich. Die Messung
wird wieder bei 9A, 8A,...usw. durchgeführt. Bei Drehung des Polarisators um 90°
wird nun die π-Komponente gemessen.