Interferometrische (Wellen)längenmessung

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atzensepp
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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von atzensepp » 30 Mai 2024, 17:20

geometer hat geschrieben:
30 Mai 2024, 16:57
Tolle Sache!
Vielen Dank für die postitive Rückmeldung! Darüber freue ich mich sehr.

Die Flexures sind auf https://www.thingiverse.com/thing:6618214. Die FreeCAD-Dateien kann ich bei Interesse auch zur Verfügung stellen.

Mit dem Aufbau kann auch die Resonanzkurve des Fexlure-Aufbaus gemessen werden.
Dabei verändert man die Anregungsfreqzenz f und misst die Amplitude (Vss: Spitze-Spitze des Phototransistorsignals)
Bildschirmfoto vom 2024-05-30 17-17-22.png
Bildschirmfoto vom 2024-05-30 17-17-22.png (28.04 KiB) 1305 mal betrachtet
Jetzt sind wir gewissermaßen wieder beim physikalischen Anfängerpraktikum.

atzensepp
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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von atzensepp » 31 Mai 2024, 22:24

Mit dem ersten (steifen) Flexure und Mikrometerantrieb ein Verstellbereich von 2.5mm:
michelson2-gp.png
michelson2-gp.png (30.08 KiB) 1239 mal betrachtet
Ab 2.5mm ist das Flexure nicht-linear. Die Steigung der Gerade entspricht in etwa der nominalen Laser-Wellenlänge von 650nm.
Bei einem anderen Baumarkt-Laser kommt in etwa das Gleiche raus.
Leider bin ich mit meinem grünen Laser (532nm) noch nicht gut vorangekommen, da ich Lambda/2-Signale(Das Signal in Durchangsrichtung hat die halbe Frequenz wie das senkrecht Abgeleitete) messe. Evtl. ist das die NdYag-Grundwelle (1064nm) aus der das Grün mittels Frequenzverdopplung gewonnen wird. Ein weiterer Laser sendet Pulse im khz-Bereich aus, leider in dem Frequenzbereich, wo auch die Interferenzmuster durchlaufen. :(
Die müsste ich erst mit einem sehr scharfen Filter glätten oder besser mit dem Ausgangssignal geeignet korrelieren.

Auch mit dem ft-Em-Drive bin ich etwas weiter gekommen:
EM-Drive-10.jpg
EM-Drive-10.jpg (867.99 KiB) 1239 mal betrachtet
Sehr stabile Interferenzmuster:
EM-Drive-12.jpg
EM-Drive-12.jpg (1.12 MiB) 1239 mal betrachtet
Auch das X-Y-Diagramm sieht gut aus:
Em-Drive-11.jpg
Em-Drive-11.jpg (810.79 KiB) 1239 mal betrachtet
Anregung erfolgte mit 10 Hz. Das Scope könnte man mit PC auslesen. Aber eigentlich sollte das mit einem Microcontroller gehen.

atzensepp
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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von atzensepp » 10 Jun 2024, 20:36

Und hier die Schemazeichnung vom verbesserten optischen Aufbau:
Bildschirmfoto vom 2024-06-10 20-29-43.png
Bildschirmfoto vom 2024-06-10 20-29-43.png (53.98 KiB) 1011 mal betrachtet
Die diskret aufgebaute 4-Flanken-Erkennung und Zählung habe ich inzwischen durch einen Zähler-IC am Arduino ersetzt.
Ich hoffe, das Analog-Signal direkt filtern und auswerten zu können.

Das Lambda/4 kann auch im Ausgangspfad nach dem ersten Strahlteiler platziert werden. Dann ist die Justage einfacher und der Aufbau unemfpindlicher gegenüber Störungen, da das Bauteil nicht im "heißen Bereich" des Interferometers sitzt.

PS: Das Lambda/2 kann die Polarisationsebene des Lasers drehen. Dann muss man ihn nicht schief einbauen.

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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von atzensepp » 13 Jun 2024, 14:25

Bin ein gutes Stück weitergekommen mit der Microcontroller-Auswertung. Die Interferogramme und Impulszählung klappt jetzt mit einem Arduino Mega:
Interferogramm  mit Arduino (Mega)
Interferogramm mit Arduino (Mega)
Mega-Interft.PNG (126.11 KiB) 819 mal betrachtet
Die Signale der Photodioden werden analog direkt vom Vestärker kommend (vor Komparator) ausgewertet. Bevor die Messung beginnt, muss man den Aufbau etwas in Schwingungen versetzen, um die Signal-Ober und Untergrenzen zu bestimmen. Der Mittelwert ist dann die Null-Linie. Signaldurchgänge durch die Null-Linie werden dann als Flanken interpretiert und mit einem Zustands-Automat für Vier-Flanken-Logik ausgewertet.
Vier-Quadranten-Logik
Vier-Quadranten-Logik
FQL.JPG (640.8 KiB) 819 mal betrachtet
Die Ausgabe des Oszillogramms erfolgt nicht kontinuierlich in Echtzeit, da die Ausgabe zu viel Zeit erfordert und Impulse überlesen werden,
Für die Messung einer Spur muss man ein Kommando eingeben. Dann werden 1024 Messwerte erfasst und anschließend auf dem Arduino-Plotter ausgegeben. Die 4-Flanken-Auswertung ohne Ausgabe ist schnell genug für eine korrekte Zählung.
Die grafische Anzeige ist für die Justage hilfreich. Man braucht jetzt kein 4-Kanal-Oszi.
Zuletzt geändert von atzensepp am 13 Jun 2024, 14:47, insgesamt 1-mal geändert.

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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von steffalk » 13 Jun 2024, 14:29

Tach auch!

Das ist einfach grandios. Das Physik-Studium als fischertechnik-Modell mit Ziehen von sämtlichen Registern. Sagenhaft.

Gruß,
Stefan

atzensepp
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Re: Interferometrische (Wellen)längenmessung

Beitrag von atzensepp » 15 Jun 2024, 23:17

Auch mit einem grünen Laser (532nm) lassen sich Interferenzen messen. Die Strahlqualität meiner Laserquelle ist nicht so gut und auch die Kohärenzlänge kleiner.
Ich musste mit einer kurzbrennweitigeren Linse fokussieren. Die Intensität schwankt auch etwas. Da müsste ich die Auswertung mit dem Microcontroller noch verbessern. Evtl. kann man das durchlaufende Interferogramm irgendwie fitten um die Maxima besser zu erkennen und ein Auto-Leveling zu realisieren, das die Intensitätsschwankungen ausgleichen kann.
michelson_532.png
michelson_532.png (34.05 KiB) 668 mal betrachtet
Die Wellenlänge bei dieser Messung kommt dann auf 544nm, was mit den 532nm des Lasers in etwa zusammen passt (Fehler 2.2%). Bei meiner Vorgehensweise dürfen keine Impulse verloren gehen und auch keine Fehlzählungen erfolgen. Dies ist leider nicht der Fall. Ich sehe vor allem bei größeren Verstellbereichen immer wieder mal Fehlzählungen ( auf 1mm 50-100 counts = 7 um) . Ich sehe folgende Ursachen:
- Intensitätsschwankungen => unsaubere Triggerung
- Weglaufende Interferenzmuster: Strahl nicht exakt parallel zum Laser , "orthogonale", Schwingungen.
- Signalstörungen (Umgebungslicht, elektromagnetische Einstreuung)

Der erste Punkt müsste per Software lösbar sein. Für den zweiten Punkt muss die Justage noch besser werden.
Den zweiten Punkt konnte ich durch einen steiferen Aufbau verbessern: Also Teile näher auf die Grundplatte.
(Ein optisch stabilerer Aufbau wäre normalerweise der beste Ansatz)
Der letztere Punkt ist m.E. nicht dramatisch. Denn wenn das Interferometer nicht verstellt wird, schwankt die Zählung um einen festen Wert.
Ab und zu gibt es einen "Burst", da läuft dann der Zähler davon. Das tritt vor allem dann auf, wenn die generierten Rechteck-Impulse der beiden Signale unterschiedlich lang sind oder die Signale zu geringen Phasenunterschied haben.

Derzeit mache ich die Wellenlängen-Messungen mit einer Mikrometerschraube. Elektrisch angetrieben hätte man auch die Möglichkeit, das Signal zu mitteln. Mit Lautsprecher, Elektromagnet oder mit Schrittmotor.

Ich würde gerne das Oszillogramm mit dem Arduino aufnehmen und an den PC übertragen um dort Signale und den X-Y-Plot darzustellen.
Was jetzt noch stört: Die Übertragung blockiert den Microcontroller, so dass die ADC-Abtastung unterbrochen wird. Die Folge ist, dass Impulse verloren gehen, wenn Daten übertragen werden.

Man müsste es schaffen, dass eine Ausgabe stattfindet während auf die Messung gewartet wird, so dass Zählung und Anzeige parallel laufen können.
Es macht m.E. nix, wenn die Ausgabe nur einen Teil des Signals ausgibt. Eins schnellerer Microcontroller und mehr Ram wären auch nicht schlecht.

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