EXP:Analogieexperiment Knaller-Test

Mit dem Knaller-Test kann ein Objekt im Strahlengang einer Einzelphotonenquelle zu einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nachgewiesen werden, ohne direkt mit einem Photon wechselzuwirken. Das Objekt wird als Knaller oder Bombe bezeichnet. Im Einzelphotonenexperiment wird die Bombe gedanklich ausgelöst, wenn an dieser ein Photon nachgewiesen wird. In diesem Analogieexperiment verwendet man einen Laser als kontinuierliche Lichtquelle statt der Einzelphotonenquelle und übersetzt die Wahrscheinlichkeitsdichte einzelner Photonen durch die gemessene Intensität des Lichts an einer Photodiode. Außerdem kann anstatt einer Bombe ein lichstrahlblockierendes Element wie ein Schirm verwendet werden. Wichtig hierbei ist nur, dass kein Licht an der Bombe vorbei kommt, wie es auch im klassichen Experiment konzipiert wurde.

Benötigtes Material

• Thorlabs Stativmaterial
• 2 Spiegel
• Strahlteiler
• Laser
• Photodiode
• Oszilloskop

Versuchsaufbau

Mit den Spiegeln, dem Laser und dem Strahlteiler wird, wie in der Abbildung 1 gezeigt, ein Michelson-Interferometer aufgebaut. Als Detektor wird eine Photodiode verwendet. Um Umgebungslicht möglichst gut abzuschirmen wird an die Photodiode ein Lensetube geschraubt. Eine Sammellinse bündelt das einfallende Licht auf die Detektorfläche. Die Photodiode kann über ein Oszilloskop oder ein Spannungsmessgerät ausgelesen werden.

Abbildung 1: Aufbau des Michelson-Interformeters mit Photodiode. Im Versuchsteil 1 befindet sich die ,,Bombe" außerhalb des Strahlengangs. Im Versuchsteil 2 befindet sich die ,,Bombe" im Strahlengang.

Durchführung

Mit der Photodiode werden Lichtintensitäten bei unterschiedlichen Einstellungen des Interferometers gemessen. Hierfür wird die Bombe in den Strahlngang gestellt, die dadurch den Lichtstrahl des einen Lichtwegs unterbricht. Die Lichtintensität mit und ohne Bombe kann miteinander verglichen werden.

Auswertung

Mit freiem Strahlengang wurde mit der Photodiode eine Spannung von 6 V gemessen. Da es sich um ein Michelson-Interferometer handelt, entspricht dies 50 % der gesamten Intensität des Lasers (3. Bereich im Bild). Beim Platzieren der Bombe im Strahlengang wurden 3 V gemessen, was 25 % der gesamten Intensität entspricht (2. Bereich im Bild).

Abbildung 2: Zeitlicher Verlauf der Lichtintensität auf der Photodiode auf einem Oszilloskop. Im 1. Bereich wurde der Laser komplett blockiert. Im 2. Bereich wurde die Bombe in einen der zwei Strahlengänge platziert. Im 3. Bereich befindet sich kein Objekt im Strahlengang.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Beim Knaller-Test wird klassischerweise ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet. Ohne Knaller kann mit einer Photodiode eines Interferometerausgangs eine Intensität von 50 % der Laserintensität gemessern werden. Die anderen 50 % könnten mit einer zweiten Photodiode am zweiten Ausgang gemessen werde. Beim Michelson-Interferometer werden ebenfalls 50 % der ursprünglichen Laserintensität mit der Photodiode gemessen. Die verbleibende Lichtleistung wird in den Laser zurückgekoppelt oder zumindest am Strahlteiler in Richtung Laser zurückgeworfen. Nach dem Platzieren eines Knallers im Strahlengang bleiben bei beiden Interferometern noch 25 % der Laserintensität an den Photodioden übrig. Die beiden Interferometer unterscheiden sich also nicht in diesem Experiment bei den gemessenen Werten. Die Lichtwege sind jedoch unterschiedlich und müssen daher getrennt voneinander interpretiert werden.

Es handelt sich um ein Analogieexperiment zu Quanteneffekten. Die Ergebnisse dieses Experiments können daher auch klassisch erklärt werden. Ein wichtiger Bestandteil des Experiments stellt die Übersetzung der Analogie (Intensität entspricht Wahrscheinlichkeit) dar, da die Schülerinnen und Schüler ansonsten in Versuchung geraten könnten, das Verhalten von Photonen klassisch erklären zu wollen.

Sicherheitshinweise

Beim Arbeiten mit Laser ist stets darauf zu achten, zur Justage Beamblocker zu verwenden. Handschmuck wie Ringe oder Uhren sollten abgelegt werden, um ungewollte Reflexionen zu vermeiden.

Fotos

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       Versuchsaufbau
  

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       Ergebnis
  

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