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Prinzipskizze eines Fabry-Pérot-Interferometers
Interferenzringe der Natrium-D-Linie

Das Fabry-Pérot-Interferometer, auch Pérot-Fabry-Interferometer, wurde 1897 von den französischen Physikern Charles Fabry und Alfred Pérot entwickelt. Es ist ein optischer Resonator, der aus zwei teildurchlässigen Spiegeln gebildet wird. Ist der Spiegelabstand unveränderbar (bspw. Glas mit aufgedampften Spiegeln), so werden diese Aufbauten auch als Maßverkörperung benutzt und dann als Fabry-Pérot-Etalon bezeichnet. Ein eintreffender Lichtstrahl wird nur dann durch diesen Aufbau geleitet (transmittiert), wenn er dessen Resonanzbedingung erfüllt.

Damit lässt sich das Fabry-Pérot-Interferometer u. a. als optischer Filter einsetzen, der aus einer breitbandigen Strahlung ein schmalbandiges Spektrum herausfiltert. Spiegelverschiebungen ermöglichen es darüber hinaus, die spektralen Eigenschaften der transmittierten Strahlung einzustellen. Das Transmissionsverhalten lässt sich mit der Airy-Formel berechnen.

WirkungsweiseBearbeiten

 
Transmissionsspektrum eines Fabry-Pérot-Interferometers für verschiedene Finessen F

Das Fabry-Pérot-Interferometer besteht aus zwei teilreflektierenden Spiegeln hoher Reflektivität, die miteinander einen optischen Resonator bilden. Das Transmissionsspektrum dieser Anordnung zeigt schmale Transmissions-Maxima für Wellenlängen, welche die Resonanzbedingung erfüllen, während andere Spektralbereiche in der Transmission nahezu vollständig ausgelöscht werden. Dies geschieht durch konstruktive bzw. destruktive Interferenz der Teilstrahlen.

Der Abstand   der Transmissionsmaxima heißt freier Spektralbereich des Resonators. Der Frequenzabstand   ist vom Spiegelabstand   und dem Brechungsindex   abhängig:

 

Die Finesse   dient zur Charakterisierung des Resonators. Sie ist definiert als Verhältnis zwischen dem freien Spektralbereich und der Halbwertsbreite   eines einzelnen Maximums:

 .

Ein alternatives Maß ist der Finesse-Koeffizient  , der durch

 

definiert ist.

Je größer die Finesse, desto mehr Strahlenbündel interferieren miteinander und desto schärfer sind also die Interferenzringe. Einfachste Fabry-Pérot-Interferometer erreichen bei sichtbarem Licht Finessen von ungefähr  . Bei hohen Reflektivitäten   der Spiegel und geringer Dämpfung im Resonator nimmt die Finesse große Werte an:

 

Mit dielektrischen Dünnschichtbelägen und gekrümmten Spiegeln lassen sich Finessen bis zu   erreichen.[1]

Bei steigender Finesse wächst bei Resonanz die Intensität bzw. Feldstärke der Lichtwellen innerhalb des Interferometers bzw. Resonators auf Werte an, die wesentlich höher sind als diejenigen des durchtretenden Lichtes. Diese Tatsache muss bei Anwendungen, bei denen die Leistung im Vordergrund steht, berücksichtigt werden (z. B. bei Laser-Resonatoren und -Modulatoren).

Die transmittierte Intensität berechnet sich zu:

 

Die Resonanzmaxima sind die longitudinalen Moden eines Lasers. Je nach dessen Verstärkungsbandbreite kann er auf einer oder auf mehreren dieser Moden anschwingen bzw. „lasern“.

Durchmesser der InterferenzringeBearbeiten

 
Interferenzringe einer blauen Laserdiode
 
 
 

Wenn man (1) mit   in (2) einsetzt, ergibt sich   mit   als optischer Wegunterschied zwischen den reflektierten Strahlen. Daraus erhält man für ein festes   die maximale Ordnung der Ringe:

 

Der innerste Ring gehört zur Ordnung  , also ist mit (4) und (3) der Winkel   gegeben. Daraus errechnet sich dann der Durchmesser des innersten Ringes, wenn man beachtet, dass der maximale Einfallswinkel der Lichtstrahlen gleich 0 angenommen wird (senkrechter Einfall). Also ist der Durchmesser des innersten Ringes gegeben durch:

 

AnwendungenBearbeiten

Das Fabry-Pérot-Interferometer wird angewendet:

LiteraturBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. M. G. Tarallo, N. Poli, M. Schioppo, D. Sutyrin, G. M. Tino: A high-stability semiconductor laser system for a 88Sr-based optical lattice clock. In: Applied Physics B. Band 103, Nr. 1, 2011, S. 17–25, doi:10.1007/s00340-010-4232-2.

WeblinksBearbeiten

  Commons: Fabry-Pérot-Interferometer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien