Чем измерить скорость света? Прибор своими руками

[Штирлиц]

Друзья, возможно этого неоднократно обсуждали здесь. Но я не нашел. Просьба, объясните еще раз:
Как можно проектировать прибор в домашних условиях, чтобы я смог измерить скорости лазерных лучей (от указателя) в разных газах: в гелии, Кислороде и т.д.

[I.A.R.]

Друзья, возможно этого неоднократно обсуждали здесь. Но я не нашел.

Значит здесь не обсуждали ни разу.

[Valenock]

чтобы я смог измерить скорости лазерных лучей (от указателя) в разных газах: в гелии, Кислороде и т.д.

Измерить точно, или сравнить между собой?

[Mak]

Как можно проектировать прибор в домашних условиях, чтобы я смог измерить скорости лазерных лучей (от указателя) в разных газах: в гелии, Кислороде и т.д.

Вы хотите именно скорость померить, или показатель преломления? Если последнее, то гуглите "интерферометр Рэлея".

[Штирлиц]

Не, мне скорость надо. Именно скорость.
Может зубчатое коесо, как у Ремера, и Физо подойдет. Но очень сложная задача

[Valenock]

Я бы делал нечто вроде лазерного дальномера.

[ysdanko]

Не, мне скорость надо. Именно скорость.
Может зубчатое коесо, как у Ремера, и Физо подойдет. Но очень сложная задача

А "Справочником физических величин", уже не судьба воспользоваться? 

[kryptonik]

Может начать со скорости звука?

[BarsMonster]

Не, мне скорость надо. Именно скорость.
Может зубчатое коесо, как у Ремера, и Физо подойдет. Но очень сложная задача

Какую длину наполненной газом трубки осилите? 1М? 5М 10М?
На краях ставим диэлектрические зеркала с юстировками, луч лазера отражается между ними 100 раз, прежде чем попасть в фотоприемник.
На 500 метров задержка 1.6 микросекунды, с помощью "бытового" осциллографа Rigol DS1052E можно измерить задержку с точностью около 1нс.

Такой точности с трудом хватает, чтобы увидеть изменение скорости света в разных газах.

Чтобы получить 2 значащих цифры - нужно сделать любые 2 пункта: взять осциллограф с полосой 10ГГц, увеличить длину трубки в 10 раз, увеличить количество отражений с 100 до 1000.

Измерение задержки без крутого осциллографа с высокой точностью своими силами также возможно : нужно подстроить количество отражений/длину "резонатора" так, чтобы задержка была кратна/дольна частоте кварцевого генератора, и наблюдать за биениями фазы.

По электронике - стандартный драйвер лазерного диода выкидываем, он страшно тормозной. Берем генератор сигналов на инверторе серий LV/LVC/AHC (HC не хватит скорости), и питаем лазерный диод тупо через резистор. У такой схемы есть недостаток - скорость не максимальна, когда диод полностью выключается. Быстрее всего его модулировать в диапазоне 50-100%, а не 0-100%. Этим можно заняться позже, если скорости будет нехватать.

Усилитель фотодиода - проще всего взять монолитные усилители с частотой гигарец эдак на 5 и выше. Первое что бросается в глаза GVA-84+ и многие другие. Фотодиод и лазерный диод с достаточной скоростью проще всего достать из DVD-RW писалки.

Нужно помнить и об абсолютной точности кварцевых генераторов (в осциллографах) порядка 10ppm в обычных условиях. Если нужно абсолютное значение точнее - придется завести или термостатированный кварц-эталон, или рубидиевый стандарт частоты (200$ на ebay).

В общем, работы хватит надолго, но ничего невозможного даже с бюджетом 1000$ нет.

[Архимед]

Повторите конструкцию интерферометра Майкельсона и тогда поймете, что в бытовых условиях подобные приборы повторить очень сложно.
Тем более создать прибор измеряющий разницу в счёте импульсов с точностью более 0,00001 сек.(количество нулей после запятой растёт с точностью измерений).
Хотя! При наличии бюджета более 10 000$ собрать какой-нибудь суррогат вполне возможно.

[Штирлиц]

А "Справочником физических величин", уже не судьба воспользоваться? 

Нет, не подходит. У меня смесь 3-х, 4-х газов, в разных условиях.

[Архимед]

В промышленности и научных исследованиях используются методы лазерной внутрирезонаторной спектроскопии. В газах при н.у. скорость светы монохромного лазера почти равна скорости света (ы)  в вакууме.
Возможно изменение степени поглошения лазерного излучения в газах, которые помещаются в резонаторную кювету лазера, при этом нужно ипользовать дополнительно эталонный лазер.

[kramvalera]

можно использовать схему, основанную на формирователе короткого импульса, питающего светодиод с вторичной оптикой, формирующий узкий луч; формирователь должен запускаться с помощью с помощью быстрого фотоприемника, установленного в этом луче, отраженным от зеркала, и конструктивно вблизи с излучателем. До зеркала, например, два метра. Схема подключается к счетчику импульсов и измеряется время генерации, например 1000000 импульсов. Затем в тех же условиях вносится кювета с газом в луч и измеряется время генерации тех же 1000000 импульсов. Если удастся справиться с стабильностью светового уровня запуска от фотоприемника, вызванного внесением кюветы и ослаблением света, и сделать схему , чтобы длительность светового импульса не была так велика и не мешала уверенному новому запуску импульса, то погрешности измерения будут только от стабильности срабатывания микросхем и фотоприемника, которые можно нивелировать наращивая число измерений.  По разнице длительностей пачки с кюветой и без судят о вносимом замедлении скорости света.

[BarsMonster]

можно использовать схему, основанную на формирователе короткого импульса, питающего светодиод с вторичной оптикой, формирующий узкий луч; формирователь должен запускаться с помощью с помощью быстрого фотоприемника, установленного в этом луче, отраженным от зеркала, и конструктивно вблизи с излучателем. До зеркала, например, два метра. Схема подключается к счетчику импульсов и измеряется время генерации, например 1000000 импульсов. Затем в тех же условиях вносится кювета с газом в луч и измеряется время генерации тех же 1000000 импульсов. Если удастся справиться с стабильностью светового уровня запуска от фотоприемника, вызванного внесением кюветы и ослаблением света, и сделать схему , чтобы длительность светового импульса не была так велика и не мешала уверенному новому запуску импульса, то погрешности измерения будут только от стабильности срабатывания микросхем и фотоприемника, которые можно нивелировать наращивая число измерений.  По разнице длительностей пачки с кюветой и без судят о вносимом замедлении скорости света.

Схема мне нравится )
Нужно не забыть оставить стекла под углом брюстера в системе, когда кюветы нет, чтобы оптическая длина пути была такой-же.

Чтобы длительность не была сильно важна - нужно, чтобы вся схема работала по фронту сигнала. В таком случае длительность достаточно сделать меньше времени пролета туда-сюда.
Основной риск - время задержки регенерации импульса зависит от температуры, напряжения питания и случайного шума. до 1нс ошибки на каждой итерации можно иметь. Конечно это все будет усреднятся.... В любом случае, если скомбинировать сюда сотню отражений между зеркалами - будет только проще.

Эстеты могут сделать схему с оптическим усилением - это исключает задержки в электронике. Проще всего - в банальном Nd:YAG/Nd:YVO - но тут реализация потребует на порядок бОльших усилий и затрат :-)

[kramvalera]

Я детально не разбирался, но мне подсказывали специалисты, что некоторые китайские дальномеры - измерители бытовые для строительства и измерения размеров комнат работают на том же принципе, точность у них высокая и не зависит от дистанции (в разумных пределах, до того момента когда он может еще мерить и выводить цифру), поэтому можно схему самим не городить, а взять такой дальномер и посмотреть в такой схеме применения с зеркалом, как он будет реагировать, например, на толстое стекло с известным показателем преломления - он даст новое значение дистанции - возможно ничего придумывать свое в электронике и не придется, а суметь надо будет правильно обработать результаты, из которых вытянуть показатель преломления этого стекла или кюветы с исследуемым газом.

[Gleb1964]

у света две скорости - фазовая и групповая. Они совпадают в вакууме, но не совпадают в среде. Я так понимаю, что Штирлица интересует исключительно групповая скорость - скорость распространения импулса в среде? а не фазы..

[Грехов Михаил]

Раньше ставили эксперимент по определению скорости. Суть такая - имелся источник света (в современном виде можно взять лазер). Который направлялся под определенным углом к 3-х гранной призме. От призмы свет посылался в определенном направлении и весьма далеко (на дистанцию километры). Потом обратно и отражался от другой грани призмы. Отражаясь-попадал на регистриующее устройство.

Поскольку свету требуется некое время чтобы "долететь" до зеркал обратного отражения, то призма, вращаясь с высокой скоростью успевает за это время сделать некую долю оборота. Зная расстояние, скорость вращения призмы и угол на который сместился "зайчик" можно попытаться определить и скорость света.

Однако в данном методе довольно низкая точность была (расстояние невелико) и раньше чувсвтвительность и точность регистрирующей аппаратуры была невысокой. Сейчас, на новом технологическом витке  можно это дело проделать лучше!

[ekvi]

А, может быть, расщепив луч на два, пропустить один - через кювету с рабочей смесью газов, второй - через кювету с известным газом (с известной скоростью света в нем), затем снова соединить лучи, и по сдвигу полос в их интерференции определить разницу в скоростях?

[kramvalera]

у света две скорости - фазовая и групповая. Они совпадают в вакууме, но не совпадают в среде. Я так понимаю, что Штирлица интересует исключительно групповая скорость - скорость распространения импулса в среде? а не фазы..

Тут GLEB1964 правильно настораживает - не для любых веществ можно так как я предложил измерять - для веществ с большой дисперсией не прокатит.

[Грехов Михаил]

Боюсь, что просто определим факт сдвига фазы. К тому же все еще будет сильно зависеть от материала окон кюветы, давления, температуры и проч. И не факт, что получится что-то из интерферограммы расшифровать. Много что будет зависеть от кратности периодов колебаний - совпало-видим на выходе свет.... несовпало (в противофазе)-темное. Но сколько их там уместилось-хрен знает.

Ну и измерять надо относительно вакуума. Вакуум-эталон.