optischer Beschleunigungs - Sensor

[Nabla]

Hallo, ich bin neu in diesem Geschäft!

Bei den Streitigkeiten um die Richtigkeit oder der Nichtrichtigkeit der Relativitätstheorie wird der Sagnac - Effekt als einen Beweis für die Richtigkeit der Relativitätstheorie angeführt.
Zugegeben, es hat mich einiges Nachdenken gekostet, aber der Sagnac - Effekt ist kein Laufzeiteffekt, sondern ein Effekt der Beschleunigung. Genauer gesagt ein Effekt der Radialbeschleunigung, die in einer drehenden Scheibe auftritt.
Damit ist dieser Effekt ein Effekt der klassischen Physik und hat nichts mit der Relativitätstheorie zu tuen.

Aber das ist nur der theoretische Hintergrund. Meine Schlußfolgerung: Wenn die Radialbeschleunigung lichtoptisch (Lasergyroskop) ermittelt werden kann, so muß es auch möglich sein die lineaare Beschleunigung lichtoptisch zu erfassen !!!!!
Dabei stoße ich auf die Veröffentlichungen um das Lasergyroskop im Bayerischen Wald (Wettzell) mit !6 m Lichtstrecke.
Dieses Gyroskop ist derart empfindlich, dass sich selbst die Schwankungen in der Erddrehung aufzeichnen lassen, und das in Echtzeit ohne Verzögerung.
Ein lichtoptischer linearer Beschleunigungs - Sensor wäre ähnlich in Empfindlichkeit und dies in Echtzeit.
Es wäre eine Revolution in der Meßtechnik. Die Anwendungsbreite reicht vom Navigieren von Flugzeugen, Schiffen, Raketen bis hin zur Seismographie und Vulkanforschung.

So weit, so schön. Dies sind theoretische Überlegungen.
Um einen lichtoptischen linearen Beschleunigungs - Sensor auf der Grundlage einer Stehenden Welle, wie im Wettzeller Gyroskop zu realisieren, erwiest sich der konkrete Aufbau doch recht steinig.

Das Grundprinzip besteht in zwei entspiegelten Laserdioden (ECDL) , welche gegenüber stehen und sich gegenseitig anregen. Wird nun diese Anordnung in Strahlrichtung bewegt, so erfährt die Diode in Bewegungsrichtung eine geringere Frequenz. Die andere Diode erfährt eine erhöhte Frequenz. Da ECDL´s die Frequenzverschiebung akzeptieren, bleibt die ursprüngliche Welle weiter stehen. Sie bewegt sich relativ zur Anordnung und dies kann man durch Zählen der Wellenberge und Wellentäler ermitteln.
Eine lineare Beschleunigung wäre damit ohne Zeitverzug und in mie gekannter Präzision erkennbar. Es bedarf nur der Realisierung.
Aus dem Grunde, um nicht an den Prioritätsrechten zu scheitern, habe ich bewust dies patentlich nicht abgesichert.

Nun es geht darum, dass sich zwei entspiegelte Laserdioden gegenseitig anregen.
Dazu habe ich mir solche gekauft (ML 101 U 29 von Mitsubishi) und voller Entsetzen feststellen müssen, dass diese keinen Punktstrahl abgeben, sondern ein Streulicht.
Nun meine erste Frage: Wie erhalte ich einen Punktstrahl, wie er zB zum Schneiden von Eisen eingesetzt wird. Der auftreffende Strahl sollte nicht größer sein, als die Austrittsstelle an der Gegendiode selbst.
2. Welchen Einfluß hat eine Linse im Strahlengang. (Entspiegeln ????)
3. Leuchten sich zwei defuse Laserdioden an, bildet sich dann eine Stehende Welle aus. Wenn Ja unter welchen Bedingungen.
4. Gibt es auch punktförmig strahlende ECDL. Worauf muß man im Datenblatt achten !

Mit jedem Tag erhöht sich die Liste der ungeklärten Fragen. Leider bin ich nicht aus der Fachrichtung Lichttechnik, wodurch mir das Einarbeiten erhebliche Mühen breitet. Deshalb auch das Vortragen meines Anliegens in diesem Forum.

Liebe Grüße Nabla

[guido]

Moins,

eine Laserdiode ist in erster Linie nur das Stück emittierende "Etwas"
Dem Datenblatt kannst du die Divergenzen entnehmen. Was nun folgt ist
mehr oder weniger simple Optik. Am einfachsten mit einer Asphäre kollimieren.
Je kleiner die Brennweite desto dünner der Anfangsbeam, aber desto grösser die Divergenz.
Wenn du geau das Fenster der gegenüberliegenden Diode treffen möchtest probiers mal mit einer Brennweite
von 6-8mm. Die Kollimatoren die hier gängig sind liegen etwas unter 5mm Brennweite.
Warum um Gottes Willen denn die U29 ?? Du brauchst doch nix an Leistung für dein Experimant. Oder ??

[afrob]

http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson- ... Experiment

Grüße,
afrob

[undineSpektrum]

Eigentlich schade, das die Diskussion hier schon zu Ende ist oder besser gesagt war - wo´s doch eigentlich so richtig interessant wurde...

Obwohl der Thread hier schon etwas älter ist erlaube ich mir dennoch einen Beitrag dazu abzugeben damit spätere Nutzer hier vielleicht weiterlesen und ggf. auch ihr Wissen und ggf. Ratschläge zu dieser Problematik abgeben können und weil der Stand von Nablas Projekt nach den letzten Beitrag aus meiner Sicht unklar ist ...

Also:

@ Nabla:
Muß schon sagen, ein ehrgeiziges Projekt der Meßtechnik... aber durchaus sinnvoll und sogar realisierbar, die Frage stellt sich nur mit welchem technischen Aufwand und welcher Meßgenauigkeit...
Da Du ja selber schreibst, daß Du damals noch relativ neu und unerfahren in den optischen Technologien bist ( was der Text Deines Threads auch an einigen Stellen deutlich zu machen scheint, da einige Begriffe in Ihrer Bedeutung nicht ganz richtig zugeordnet scheinen ... nicht böse oder schnippisch gemeint(!)... jeder und jede lernt ja mit der Zeit auch durch solche Projekte dazu...)

Du schreibst: (Zitat)
"Bei den Streitigkeiten um die Richtigkeit oder der Nichtrichtigkeit der Relativitätstheorie wird der Sagnac - Effekt als einen Beweis für die Richtigkeit der Relativitätstheorie angeführt.
Zugegeben, es hat mich einiges Nachdenken gekostet, aber der Sagnac - Effekt ist kein Laufzeiteffekt, sondern ein Effekt der Beschleunigung. Genauer gesagt ein Effekt der Radialbeschleunigung, die in einer drehenden Scheibe auftritt.
Damit ist dieser Effekt ein Effekt der klassischen Physik und hat nichts mit der Relativitätstheorie zu tuen."

Der Begriff der klassischen Physik ist ein unklar definierter Begriff, der sowohl historisch wie auch inhaltlich verstanden werden kann und für eine bestimmte historische Epoche steht, in welcher eine gewisse Art physikalische Probleme zu behandeln vorgeherrscht hat, die im 20. Jahrhundert zu Ende gegangen ist... es ist gewissermaßen Definitionssache was zur klassischen Physik gehört und was nicht - eigentlich ist die Relativitätstheorie Bestandteil der klassischen Physik wie auch die Elektrodynamik, welche sich im Nachhinein als eine relativistische Theorie erwiesen hat... lange vor Lorentz und Einstein. Die Maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik verändern sich durch die Lorentz-Transformation nicht... (Lorentz-Invarianz der Elektrodynamik), die Elektrodynamik ist ein wesentlicher Bestandteil der klassischen Physik.
Die Bestimmung von Bewegungen (Geschwindigkeiten) und auch Beschleunigungen ist zwar ursprünglich die Bestimmung klassisch-mechnanischer Meßgrößen ( das was Dein Sensor bestimmen soll !) da hast Du Recht, dennoch können diese Größen auch durch relativistische Effekte bestimmt werden und sind somit auch Bestandteil der Relativitätstheorie und haben wesentlich mit Ihr zu tun. So ist die Längenkontraktion und die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie von dem Bewegungszustand des Meßgerätes abhängig und kann aus dieser bestimmt werden.

Zum Sagnac-Effekt:

Grundsätzlich ist der Sagnac-Effekt tatsächlich ein Effekt der durch eine beschleunigte Bewegung ausgelöst wird - eine Rotation eines Körpers, in diesem Fall des Meßgerätes, mit den Sagnac-Effekt nachgewiesen und vermessen werden kann. Dieser Effekt ist die Veränderung der optischen Weglänge eines geschlossenen Lichtweges z.B. durch eine Faserspule o.ä., die durch die Interferenz von Lichtwellen ( in dem Sagnac-Interferometer ) nachgewiesen wird, wenn das Interferometer senkrecht zu der Fläche, den der Lichtweg einschließt rotiert und sich somit beschleunigt bewegt.
Interferometer machen eine Länge oder deren Änderungen durch einen Unterschied in der Laufzeit meßbar, den das Licht als elektromagnetische Welle durchläuft. Der Sagnac-Effekt dokumientiert sich sozusagen über den Laufzeitunterschied zweier geschlossener Lichtwege - im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn bei der Ebene in einer Richtung, die durch den Strahlengang eingeschlossen wird.
Der Gedanke, welcher dahinter steht ist, daß sich das Licht ( im Unterschied zu allen anderen Sachen wie z.B. ein Auto oder Flugzeug ) mit nur einer einzigen Geschwindigkeit in einem bestimmen Material fortpflanzt und diese Geschwindigkeit ist absolut und unveränderlich, da durch die Feldkonstanten der elektrischen und magnetischen Felder der Lichtwellen bestimmt. Längen usw. sind daher durch die Laufzeit bestimmt, die das Licht für eine solche Strecke benötigt.
In der gewöhnlichen Mechanik bestimmt sich eine Geschwindigkeit durch das Verhältnis einer Strecke die ein Körper in einer bestimmten Zeit zurückgelegt hat - Raum und Zeit bestimmen die Geschwindigkeit und stehen als begrifflicher Rahmen für alles bewegte - anders bei der Lichtgeschwindigkeit : Hier ist die Lichtgeschwindigkeit der "feste Rahmen" zweier variabler Größen (Länge und Zeit) die zu Ihr im Verhältnis ( in Relation) stehen.
Das ist der Gedanke der Relativitätstheorie: Nicht Raum und Zeit bilden den festen Rahmen für alle physikalischen Abläufe sondern die Geschwindigkeit des Lichtes bestimmt wie Raum und Zeit aussehen.
Beim Sagnac-Effekt und auch einer linearen Beschleunigung läßt sich das für die Bestimmung des Bewegungszustandes ausnutzen, deshalb ist das von dir vorgeschlagene Projekt ja so interessant - es wiederlegt aber nicht das von der Relativitätstheorie vertretene Konzept .... !

Hierzu gebe ich folgende Quelle zum Verständnis der Argumentation an:
http://www.youtube.com/watch?v=-ZS2gmN3lDQ
http://www.youtube.com/watch?v=89I6BfJFtvw

Zu deiner konkreten Idee schreibst Du:
"Wird nun diese Anordnung in Strahlrichtung bewegt, so erfährt die Diode in Bewegungsrichtung eine geringere Frequenz. Die andere Diode erfährt eine erhöhte Frequenz. Da ECDL´s die Frequenzverschiebung akzeptieren, bleibt die ursprüngliche Welle weiter stehen. Sie bewegt sich relativ zur Anordnung und dies kann man durch Zählen der Wellenberge und Wellentäler ermitteln.
Eine lineare Beschleunigung wäre damit ohne Zeitverzug und in nie gekannter Präzision erkennbar. Es bedarf nur der Realisierung. "

Im Prinzip völlig richtig - das Wörtchen "nur(!)" bei der Realisierung bedarf eines Ausrufzeichens ... denn der Aufbau und die Justage eines Interferometers ist nicht unbedingt trivial zu realisieren... Richtig, durch die mittlerweile überall verfügbaren Laser ist alles viel einfacher geworden zu justieren, dennoch ist ein Interferometer ein empfindliches Gerät, dieses muß gegen unerwünschte Schwingungen gedämpft sein und die Spiegel müssen sehr genau einjustiert werden ( im Bereich 1/1000 mm und feiner ! )...

Als "Anfänger" in den optischen Technologien empfehle ich daher zuerst den Aufbau eines Michelson-Interferometers mit zwei Spiegeln und einer Glasplatte oder Glasscherbe als Strahlteiler und die Beleuchtung dieses Gerätes mit einer Deiner Laserdioden... wenn Du die Spiegel genau einjustiert hast entsteht auf einer Wand oder einem Schirm ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Ringen... und das muss für die geplanten Messungen relativ ruhig stehen... probier einfach mal aus welche Einflüsse die optische Weglänge bei diesem Gerät verändern können ( warme Luft / Erschütterungen / Intensitätsprobleme/ Wellenfrontprobleme (bei Diodenlasern mit ungeeigneten Kollimatoren bei kleiner Abständen sehr störend(!)) / usw... ) Ohne Dich von Deinem Vorhaben abbringen zu wollen : Sind Dir die Probleme beim Aufbau eines solchen stabilen Interferometers bewusst ... ?

Zum Michelson-Interferometer ( als Beispiel für den Aufbau von Interferometern ) bei Beleuchtung mit Laserlicht könnten - afrobs Artikel ergänzend - folgende Lehrvideos sinnvoll sein:

Funktionsprinzip:
http://www.youtube.com/watch?v=j-u3IEgcTiQ
Aufbau und Justage mit einfachen Mitteln:
http://www.youtube.com/watch?v=wdasvpErwsc
... und vielleicht etwas "professioneller":
http://www.youtube.com/watch?v=zaxYZxQS0yc

Für eigene Versuche empfiehlt sich als Unterlage eine kleine von der Fläche eines DIN-A-5-Blattes große Granitplatte etwas größerer Dicke, so werden
Vibrationen und Schwingungen von dem Gerät weggehalten.

Interessant ist vor diesem Hintergrund noch, dass Beschleunigungssensoren auch gleichzeitig Sensoren für Gravitation ( Schwerebeschleunigung ) sind, weil die Verhältnisse von Geschwindigkeitsänderungen dasselbe Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit bilden, wie eine Schwerebeschleunigung ( z.B. die Gewichtskraft der Erde auf ein Gerät )
Hierzu gibt es seit ca. 2009 ein interessantes Video:

http://www.youtube.com/watch?v=ebNmmBib3aI

Kommentieren möchte ich das hier zunächst nicht. Verwendet wird hier ebenfalls ein Michelson-Interferometer...
Sicherlich stellt sich auch hier wieder die Frage, was denn die optische Weglängenänderung ( nichts anderes zeigt das IF-Muster ja an ) bei vertikaler Drehung auslöst...

Du schreibst weiterhin:

"Aus dem Grunde, um nicht an den Prioritätsrechten zu scheitern, habe ich bewusst dies patentlich nicht abgesichert."

Ein solcher Beschleunigungssensor wurde bereits vor längerer Zeit realisiert, er ist noch erheblich empfindlicher als das Gyroskop im Bayrischen Wald... Das Gerät besteht aus einem Helium-Neon-Laser mit einem sehr genau justierten Resonator von mehreren hundert Metern Länge.
Die oberflächliche Beschreibung findet sich in dem Lehrbuch der Experimentalphysik von Wolfang Demtröder / Band 1 , 1.Auflage, Springer - Verlag 1994 auf Seite 126 unter "Bestimmung der Verformung der Erdkruste".
Das Gerät ist theoretisch so empfindlich, dass die Beschleunigungen des nordamerikanischen Festlandssockels durch die Brandungswellen das Pazifik in den Rocky Mountains noch deutlich messbar sind...
Leider ist das Gerät sehr "unhandlich" durch die Größe...

Zu Deinen Fragen:
2.) Hat glaube ich Guido schon erklärt ... Aber: Das Strahlprofil eines Diodenlasers ist nicht symmetrisch... um ein symmetrisches Strahlprofil zu erzeugen wird eine spezielle Kollimatorlinse (Anamorphot) benötigt... wenn das nicht in Deinem Diodenmodul schon eingebaut ist... sagt der Hersteller der Diode oder das Datenblatt...
3.) Ist bei Laserdioden eher problematisch, da die Wellenlängen beider Laserdioden nie ganz übereinstimmen ( Modensprünge / Mode-Hopping usw...)
Eine für meßtechnische Auswertungen realisierbare Lösung benötigt einen frequenzstabilisierten Helium-Neon-Laser, also einen Gaslaser. Ich würde an Deiner Stelle einen He-Ne-Laser den Dioden vorziehen und die stehende Welle mit Licht aus dieser einen Quelle erzeugen... so wie bei der Holografie.
4.) Mir ist eine solche Diode ohne Kollimator nicht bekannt... Im Datenblatt sind da - wenn Du eine Diode verwendest - Divergenzwinkel und Strahlprofil wichtig... auch für Rechnungen mit der Optik...

Für messtechnische Anwendungen würde ich in jedem Fall einen Helium-Neon-Laser mit z.B. 1 mW Ausgangsleistung vorziehen, der hat eine bessere Strahlqualität als viele Dioden die Leistung ist mehr als ausreichend für die Anwendung ( geringeres Sicherheitsrisiko ) und die Wellenlänge dieses Lasers ist erheblich stabiler und durch hast eine saubere Phasenfront in Form eines fast idealen Gaußstrahls wenn der Laser in TEM 00 -Mode schwingt.
Das ergibt sich alles aus dem Datenblatt.

Aus meiner Sicht ist bereits mit einem ordentlichen Helium-Neon-Laser und einem stabil aufgebauten Michelson-Interferometer der erste Schritt zur Realisierung eines optischen Bewegungs- und Beschleunigungssensors getan.
Aber : Ich lasse mich gerne auch von etwas anderem Überzeugen ...

Verzeiht meine inkonsequente Rechtschreibung... und die längeren Absätze

Viel Spaß weiterhin beim Basteln, Experimentieren und Forschen,

Grüße,

Undine