Informationsübertragung mit Licht Projektpraktikum WS 2013/14 Mikro- und Radiowellen Wesentl. Teil des Versuchsaufbaus Frederike Erb | Benedikt Tratzmiller | 30.01.2014

Gliederung Aufbau und Funktionsweise der Kerrzelle Statische Messung Dynamische Messung Übertragung eines Liedes

Theorie des elektrooptischen Kerreffekts Doppelbrechung: verschiedene Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen (->elliptisch polarisiertes Licht) Elektrooptischer Kerreffekt: Unterschied der Brechungsindizes abhängig vom elektrischen Feld (und damit von angelegter Spannung): was ist delta n ? – unterschied zw brechungsindex in x und y richtung Zirkular-Polarisator [1]

BNC Die Kerrzelle Hier verwendet: PLZT-Keramik - Mit Hochspannung betrieben - Kondensator erzeugt elektrisches Feld Differenz der Brechungsindizes: Kerrzelle [eigenes Bild]

Versuchsaufbau statische Messung Beachte: signal wird nur vom laser getragen oben! Versuchsaufbau [eigenes Bild]

Versuchsaufbau statische Messung Versuchsaufbau [eigenes Bild]

Erklärung der Intensitätsschwankungen Phasendifferenz des senkrecht zum elektrischen Feld polarisierten Lichts: Elliptisch polarisiertes Licht Elektrisches Feld des Laserlichts vor (links) und nach dem Durchlaufen der Kerrzelle (rechts) sowie gemessene Intensität [eigene Animation]

Spannungs-Intensitäts Verlauf Was gemacht: gleichspannung an kz angelegt, intensität an photodiode gemessen, einheiten beliebig Am anfang ist e klein -> delta phi klein Deshalb i klein (die formel kommt aus der optik vl) Vgl theorie kurve Minimum nicht 0 weil wir nicht genau auf kz fokussieren Maximum: phasenverschiebung 180° gemessenes Spannungs-Intensitätsdiagramm [eigenes Bild] Spannungs-Intensitätsdiagramm aus [2]

Übertragung von Schwingungen Bereich zwischen 500V und 600V: nahezu linearer Verlauf Arbeitspunkt bei ca. 550V Überlagerung mit Wechselspannung Einheiten der Intensität sind beliebig, nur Proportionalität zur Spannung an Photodiode. zwischen 500 und 600 V ist ein nahezu linearer Verlauf zu erkennen. Deshalb legen wir unseren Arbeitspunkt an etwa 550V, das heißt, dass wir unser HV-Netzgerät mit 550V Gleichspannung betreiben und darauf unser Wechselspannungssignal überlagern. Man sieht also hier: wenn wir auf der x-Achse um 550V rum ein bisschen schwanken, bewegt sich der Punkt auf einer Linie Übertragung von amplitude und frequenz gemessenes Spannungs-Intensitätsdiagramm [eigene Animation]

Bode-Diagramm Aufbau Versuchsaufbau [eigenes Bild] Deshalb haben wir ein bisschen umgebaut: Signal, Audio-Übertrager, Lock-In-Verstärker Lock-In-Verstärker: Messung schwaches Wechselspannungssignal Signal wird mit Referenzspannung moduliert, bzw. gefaltet, Rauschen wird gefiltert, außerdem können Phasenverschiebung Referenz und Amplitude gemessen werden. Bei uns Referenz: Signal - Sinusgenerator; Signal: Diode Versuchsaufbau [eigenes Bild]

Bode-Diagramm Aufbau Laser trägt Information in der Phasenverschiebung Nach Analysator: periodische Intensität Auslesen mit Photodiode wie sieht das jetzt genau aus da oben? Versuchsaufbau [eigenes Bild]

Bode-Diagramm y gemessenes Bode-Diagramm Schaubild erklären: Achsen, Intensität ~ Diodenspannung, Achtung logarithmisch Eigenschaften unserer schaltung besser kennen lernen Darstellung des Übertragungsverhaltens eines dynamischen Systems Frequenz aufgetragen: Wir haben mit Fourier-Analyse überprüft, dass die Frequenz, die vom Sinus-Generator gegeben wird, wirklich auch fast perfekt ohne Störungen durch System übermittelt wird Amplitude nimmt ab (um wie viel?? 90%???) //bis zum ende (20kHz) etwas mehr, von 50 bis etwa 15000 Hz um 90% Hohe frequenzen gehen verloren Wir haben den hörbaren Bereich von etwa 20Hz bis 20kHz gemessen //erst ab 50 Hz, weil der Übertrager unser Signal bei kleinen Frequenzen verbeult Phase verändert sich stark, ist aber für das Gehör irrelevant Großer Teil des Effekts kommt vom Übertrager gemessenes Bode-Diagramm

Versuchsaufbau zur Übertragung von Musik Und jetzt kommt unser eigentlicher Versuchsaufbau, auf den wir die ganze Zeit hingearbeitet haben Wir wollten ja eigentlich ein Musikstück mit dem Laser und der Kerrzelle übertragen. Dazu mussten wir den Versuchsaufbau noch mal modifizieren: Signal, zwei Verstärker, Lautsprecher Wir haben jetzt auch mal ein Video aufgenommen, und zwar mit dem Ton, eines Liedes, das wir auf dem Handy abspielen und als Signal eingeben und haben den Bildschirm des Oszilloskops abgefilmt. Wenn man jetzt auf den Ton hört und den Ausschlag beobachtet, kann man den Zusammenhang erkennen, also das ist nicht getrickst oder so^^ In dem Video machen wir erst eine Weile nur die ganz normale Aufnahme und dann drehen wir an dem ersten Polfilter, um die Intensität des Laserstrahls zu verringern. Man sieht, dass das Signal der Photodiode abfällt und das andere konstant bleibt. Versuchsaufbau [eigenes Bild]

Übertragung von „She makes me go“ gelb: Eingang blau: Photodiode

Literaturverzeichnis [1] Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik. Springer Verlag, Berlin, 2004, 3.Auflage. [2] Ofer, Heinrich; Jodl, Hansjoerg; Theysohn, Georg: Experimente zu elektrooptischen Effekten mit einer optischen Keramik. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik, 33 (1984) 6, S. 174-183. ISSN: 0177-8374; 0342-8729 [3] Wedekind, Frank: Elektrooptische Eigenschaften und Mikrostruktur von Polymerfilmen für die optische Informationstechnik, Universität Ulm, Diss., 1995 [4] Born, Max: Optik : ein Lehrbuch der elektromagnetischen Lichttheorie Berlin ; Heidelberg ; New York ; Tokyo : Springer, 1985, 3. Auflage Zusätzliche Quelle?

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Besonderer Dank gilt: Prof. Dr. sc. nat./ETH Zürich Othmar Marti Patrick Paul Martin Müller Reiner Keller und der Vorlesungssammlung WWE