Messung der Lichtgeschwindigkeit in diversen Materialien

[P51D]

Hallo miteinander

(Ich hoffe, dass ich hier richtig bin, mit dem Thema, ansonsten einfach verschieben)

In Bezug auf eine "Diplom"-Arbeit die ich mit ein paar Kollegen im Fach Physik-Mathematik machen muss habe ich noch ein paar Fragen.
Zur Aufgabenstellung:
"Entwickeln sie ein Gerät (welches der Lehrer später für Demonstrationszwecke im Physikunterricht nutzen kann) mit dem man die Lichtgeschwindigkeit bestimmen und mit unterschiedlichen Materialien die Brechzahlen (->Phasenverschiebung) und damit die resultierende neue Lichtgeschwindigkeit ermitteln und auf einem herkömmlichen Schul KO ausgeben kann"
(In etwa so lautet die Definition, ist aber gekürzt)

Jetzt zur Realisation:
Wir sind eine 4er Gruppe (alles gelehrnte Elektroniker, und jetzt an der Berufsmatura) und haben in diversen Gebieten schon unsere Erfahrungen mit Lasern gemacht. Das ganze könnte man laut Recherche in etwa so aufbauen.

Bis jetzt offene Fragen:
- Quelle (da dachten wir an einen grünen Laser in der Grössenortnung von ~1mW, da sichtbarer Strahl eventuell noch genutzt werden könnte) -> wo beschaffen
- Sinus oder Rechteck-Signal (ev sogar mit extermen Frequenzgenerator)
- Die ganze Mischaktion mit den Frequenzen, was das betwirkt respektive die Messbarkeit deren (unter Schul-KO verstehe ich irgend ein 20MHz Gerät)


Besten Dank für eure Hilfe respektive Meinungen zu dem ganzen Projekt
MFG
Patrick

[goamarty]

Die grünen DPSS sind bei den geringen Leistungen oft nicht sehr stabil oder die Leistungsregelung könnte die Modulation erschweren, jedenfalls wirkt sich die Kristalltemperatur stark auf die Leistung (beim selben Strom) aus, sie ändert sich auch während des Betriebs. Ich würde hier eine rote Diode (zB aus DVD Laufwerk, billig-Laserpointer) vorschlagen. Wenn es sein soll auch eine blaue, aber die sind auch für deutlich mehr Leistung gebaut.
Das ganze ist nach dem Prinzip des FM-CW Radars aufgebaut. Die Laufzeit des Lichtes erzeugt eine Phasenverschiebung, wenn die mit dem 100kHz Phasenschieber kompensiert wird, dann wird die entstehende Lissajous Figur ein Kreis sein. Für die Auswertung der 100kHz kannst du jedes Oszi nehmen, und wenn es eine alte Russen-Röhre ist. Geht gerade nicht mehr über die Soundkarte
Der 60MHz Oszillator sollte ein Sinus sein, der 59,9MHz Lokaloszillator kann auf jeden Fall ein Rechteck sein, wenn es ein Sinus ist, dann würde er im klassischen Ringmischer sowieso bis in die Begrenzung ausgesteuert werden, damit die Dioden sauber durchschalten. Wenn du dir überlegst, daß eine vom Sinus abweichende Signalform zusätzliche Oberwellen enthält und Mischprodukte entstehen lässt, dann kannst du dir auch leicht ausrechnen, welche Frequenzkomponenten netstehen und weggefiltert werden müssen, um einen sauberen 100kHz Sinus aufs Oszi zu bekommen. -> Mischprodukte welches ein vielfaches von ca. 60MHz sind stören dich überhaupt nicht, die kommen kaumm weiter. Mischprodukte, welche n*100kHz betragen gilt es zu vermeiden, weil die nicht so einfach wegzufiltern sind. Die Filter würden große, störende Phasenverschiebungen erzeugen.
Die Oszillatoren sollten Quarzstabil sein, super-exakt muß die Frequenz nicht sein, solange die Phasenverschiebung gleich bleibt.

[P51D]

Besten Dank für den ausführlichen Ratschlag

...Ich würde hier eine rote Diode (zB aus DVD Laufwerk, billig-Laserpointer) vorschlagen.

Das dachte ich mir auch schon. Und ein weiterer Vorteil wäre ja noch, dass diese nicht unbedingt die teuersten Dioden sind, wenn man sie neu kauft.

Betreffend des FMCW-Radars werde ich mich einmal einlesen. Ev. stellen sich dann noch weitere Fragen.

Der 60MHz Oszillator sollte ein Sinus sein

Ich nehme jetzt einmal an, mit enstprechendem Offset, da die Diode sonst nicht immer durchgesteuert ist?

Mischprodukte, welche n*100kHz betragen gilt es zu vermeiden, weil die nicht so einfach wegzufiltern sind. Die Filter würden große, störende Phasenverschiebungen erzeugen.

Ok, soweit ich mich jetzt noch erinnere, gibts da noch Harmonische Schwingungen (ev. deine Oberwellen), die aus einem Sinus schlussentlich ein Rechteck machen würden. Wenn ich beim Empfänger direkt mit dem Rechteck arbeite, entfallen die Filter, was den Aufwand und die Fehlerquellen minimieren würden, oder?

Soweit ich die Grafik auf Seite 3 Interpretiere, gibt es 2 Sinus-Oszillatoren a 60MHz und 59,9MHz, welche über Mischer zu einem 100kHz Signal zusammengelegt werden. Das heisst, nach den Mischern müsste ich Schmitt-Trigger einbauen um den Rechteck zu erreichen, welcher anschliessend am KO darrgestellt wird.

Die Oszillatoren sollten Quarzstabil sein

Dass heisst dann wohl, die alten Bücher über Sinus-Oszillatoren wieder hervor nehem (irgendwann im letzten Lehrjahr bauten wir in der Schule eien AM-Transmitter... hilf eventuell weiter).

Ok, je mehr ich darüber nachdenke, desto interessanter erscheint mir das ganze Projekt.

Besten Dank für die Unterstützung
MFG
Patrick

[goamarty]

Ich bin nach dem Bild mit der Osziröhre mit den X und Y Platten davon ausgegangen, daß das ganze in X/Y Darstellung mittels Lissajous Figuren ausgewertet werden soll (Abgleich der Phase auf Null). Dafür bräuchtst du Sinus Signale.
Im Text ist aber von delte-t die rede, also Messung der Zeitverzögerung. Das geht mit Rechtecken auch. Am Quarz selbst wirst du immer einen Sinus haben, außer du verwendest eine deutlich zu große Treiberleistung. Die nächste Stufe kann dann schon begrenzen, dann wird es ein Rechteck, dafür braucht es keinen Schmitt-Trigger. Es gibt auch integrierte Quarzoszillatoren mit Sinus oder Rechteckausgang. 60MHz bekommst du wahrscheinlich, 59,9MHz werden schwierig -> Sonderanfertigung. Grundwellenquarze gibt es sowieso nur bis 20 oder 30 MHz, darüber mußt du einen Oberwellenoszillator bauen (nicht so aufwendig, du brauchst einen kleinen Schwingkreis, der den Quarz zB auf die 3. Oberwelle zwingt), oder einen GW Oszillator und Frequenzvervielfacher. Da hast du mehrere Schwingkreise, die lausig zum Abgleichen sind, besonders wenn alles rückwirkt. Wird bei 60 MHz nicht so schlimm. Ich hatte da mal ein Projekt, da war der Quarz schon für die 5. oder 7. Oberwelle bei etwas über 100 MHz und über einige Verdoppler und Verdreifacher ist es bis ca. 2300MHz gegangen. Das war mühsam, weil alles irgendwie miteinander gekoppelt hat, das wird bei deinem Projekt aber nicht passieren.
Wahrscheinlich könntest du auch einen PLL Taktgeber Baustein verwenden, der aus einem Standardquarz die benötigten Frequenzen erzeugt. Ich glaub, die waren von Cypress, sind auch manchmal auf PC mainboards drauf (gewesen?). Die waren OTP, aber schau mal was es inzwischen da gibt, ist >7 Jahre her.
Mischer kannst bei MiniCircuits suchen, ev. gibt es aber inzwischen ausreichend schnelle CMOS Logik, dann reicht ein EXOR. Ich mußte bei einem Projekt, wo wir HF-Laufzeit gemessen hatten die ersten Zählerstufen (200MHz?) noch mit ECL Gattern bauen (pro 4bit Zähler >100mA und zig $), bevor das Signal ins FPGA gefüttert werden konnte.