Fabry-Perot Interferometer: Messung der Hyperfeinstruktur von ...

Stand Sept. 2010
Fabry-Perot Interferometer:
Messung der Hyperfeinstruktur von Thallium
1. Stichworte zum Versuch
Fabry-Perot-Interferometer, Auflösungsvermögen, Finesse, Dispersionsbereich, Magnetische-,
Isotopie- und Quadrupolhyperfeinstruktur, Kopplungstypen, Quantenzahlen.
2. Versuchsaufbau
2.1 Emissionsspektrum von Thallium 205
Eine Spektrallampe liefert das Emissionsspektrum vonTl 205 . Die Tl-Lampe wird mit 1,0 Amp.
betrieben. Bitte Lampenstrom und Netzpolung beachten (grüne Signallampe muss
leuchten)!. Sie ist erst nach 5 Min. Einbrenndauer betriebsbereit.
Die zwei markanten Emissionslinien, die durch elektronische Übergänge zwischen den
atomaren Energieniveaus 7 2 S 1/2 → 6 2 P 3/2 (Wellenlänge λ = 535 nm, sichtbarer Bereich) und
7 2 S 1/2 → 6 2 P 1/2 (λ = 377,6 nm, UV-Bereich) entstehen, erzeugen hinter dem Fabry-Perot
Interferometer Interferenzringe. Die hohe spektrale Auflösung des Interferomteres erlaubt die
Aussmessung der Hyperfeinaufspaltung der Linien.

Quelle: H.-G. Kuhn, Atomic Spectra (1969)
Quelle: C. J. Schuler et al., J. Opt. Soc. Am. 52, 501 (1962)

2.2 Fabry-Perot Interferometer
Der Plattenabstand ist durch Einstellung dreier Mikrometerschrauben, die den Andruck einer
der Interferometerplatten auf den Abstandsring verändern, grob vorjustiert. Damit läßt sich
die Dicke der Luftschicht (ca. 3 mm) des Interferometers in gewissen Grenzen einstellen. Die
Feinjustage geschieht über drei Piezoaktuatoren, die eine zusätzliche Längenänderung von
max. 20 µm bei Anlegen einer Spannung von max. 140 V erzeugen. Diese Spannung (bis 100
V) kann für jeden Piezoaktuator durch eine einstellbare Spannungsquelle (0 – 2 V) und
nachgeschaltetem Hochspannungsvorverstärker (Verstärkung x 50) separat eingestellt werden.
Dies erlaubt eine Justage des Interferometers auf optimale Linienschärfe. Der
Dispersionsbereich des Interferometers ist so gewählt, daß sich die HFS-Multipletts
verschiedener Ordnungen nicht überlappen.
2.3 Abbildung
Nach Durchgang des Strahlenbündels durch das Interferometer wird dieses durch eine Linse
(Brennweite f = 150 mm) auf die sensitive Fläche eines CCD-Kamerachips fokussiert und auf
dem Monitor eines Kleinrechners dargestellt. Dieser erlaubt auch die Speicherung und
Auswertung der Bilder.
Zur Bestimmung der Bildgröße auf dem CCD Chip (Typ Sony ® ICX285AL) benötigen Sie:
Größe CCD Bild: 1360 (H) x 1024 (V) Pixel / Diagonale: 1702 px = 11 mm (155 px/mm)
2.4 Filter
Ohne Filter zeigt das Interferometer alle hyperfeinaufgespalteten Linien im sichtbaren und im
UV-Bereich. Durch Einfügen eines UV-Sperrfilters (UV-B) oder eines UV-Transmissionsfilters
(BG3) lassen sich die beiden Interferenzmuster separieren.

3. Aufgaben
• Wie lautet die Auswertungsformel für den Zusammenhang zwischen Wellenänge λ
und Interferenzring-Durchmesser D beim FP-Interferometer?
• Wie groß ist das Auflösungsvermögen des FP-Spektrometers? (Vergleich mit Gitter)
• Warum benutzt man hochverspiegelte Platten ?
• Wie kann Hyperfeinstruktur entstehen? (Charakterisierung der verschiedenen Arten)
• Wie entsteht sie bei Tl 205 ? (Tl 205 hat kein Quadrupolmoment)
• Nehmen Sie die Interferenzmuster in den verschiedenen Spektralbereichen auf.
• Verwenden Sie statt der Spektrallampe die Laserdiode (keine HFS-Aufspaltung,
Wellenlänge λ = 650 nm) und ermitteln Sie den Plattenabstand aus dem
Interferenzmuster.
Literatur
o Wie groß sind die HFS-Aufspaltungungen der beiden Niveaus
6 2 P 1/2 und 7 2 S 1/2 ? (Die schwächste Linie hat die größte Wellenlänge.)
o Vergleichen Sie Ihre Daten mit Werten aus der Literatur, siehe Fig. 1 oben
(Intervalle in Einheiten von 0.001 cm -1 )! Diskutieren Sie eventuelle
Abweichungen.
o Wie groß muß der Kerndrehimpuls von Tl 205
Lehrbücher der Experimentalphysik
Hellwege: Einführung in die Physik der Atome (Springer Verlag)
H. Haken, H. C. Wolf: Atom- und Quantenphysik (Springer Verlag)
T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner Verlag)
E. Hecht: Optik (Oldenbourg Verlag)
M. Born, E. Wolf: Principles of Optics (Cambridge University Press)
nach Ihrer Messung sein?