impuls van foton meten

[HansH]

@HansH,
Als je gefocusseerd blijft op een enkele denkwijze methode kom je ook niet verder.

Ben je trouwens van plan zelf te gaan bouwen als je denkt dat het haalbaar is?

Daar ben ik ook benieuwd naar, hoeveel ervaring heb je met het testen en bouwen van fysische opstellingen? Als je een lab hebt. Gewoon doen en proberen daar leer je veel van.

Het is zeker niet mijn doel om alleen hierop gefocussed te blijven. Maar wel om het netjes af te ronden en de conclusies helder ter houden. Ik had inderdaad een rekenfoutje gemaakt, hoewel ik het juist daarom in mathcad had gestopt vanavond even op mijn andere computer kijken wat daar fout ging. een factor 100 omlaag is wel heel vervelend natuurlijk voor de houdbaarheid van zo'n idee. voordeel is dat je met gevoelige elektronica en een goede oscilloscoop wel veel kan zien, maar helaas ook die staat op het werk en ik zit thuis te werken door corona. Dat schiet dus ook al niet op. en op het werk kun je wle eens tussen de middag wat knutselen, maar daar blijft het bij.

mbt zelf bouwen: zou mooi zijn, maar heb daar niet de spullen voor thuis. Wel ervaring met zelf bouwen en veel ervaring met elektronica vanuit mijn werk. en ik heb nog 5 andere projecten/hobbies die tijd vragen, dus ik doe dit vooral als ontspanning om af en toe wat na te denken over exacte wetenschap. Daarom vond ik het een mooi idee als Michel dit op kon pakken. maar inderdaad zijn de krachten super klein en van tevoren een goed overzicht willen hebben van verstorende factoren en huin grootte voordat ik het zou bouwen.

[OOOVincentOOO]

Ook ik had gedurende deze topic voorschreidend inzicht. En ja ik was misschien te zeker van intuitie bij aanvang. En soms ook brutaal.

Het laatste voorbeeld van die 1 kilogram en 1.5 μm water op een 1mm staal van 27x27 meter (5652 kg) waren voor mij de definitieve doosslag. Volgens mij is het al moeilijk die 1 kilogram in het midden te hebben op een punt, het gewicht van ijzer of alu is makkelijk 1000x hoger.

Mijn mooiste moment is dat de LIGO hun systeem met stralingdruk kalibreerd met een spiegel 40 kilogram gewicht. Als deze aan een 1 meter slinger hangt heeft men met een 1 Watt laser 8.33E-12 m verplaatsing (met mijn hatsaflats rekenen)! Wonderbaarlijk!

=============================================
Er was nog een methode waarmee men de impulse/stralingsdruk wellicht kan meten:

Neem een laser wat een metaal oppervlakte graveerd met minimale/geen verdamping alleen plastische vervorming (volgens mij heet dat zo). Schiet met enkele laser pulzen een putje.

Neem een hamer(tje) en een ponsje en sla een vergelijkbaar putje in het metaal. Impulse is dan gewicht hamer en delta tijd. Dat zou orde groottte gelijk moeten zijn.

[HansH]

Ik had inderdaad een rekenfoutje gemaakt, hoewel ik het juist daarom in mathcad had gestopt vanavond even op mijn andere computer kijken wat daar fout ging.

vergeten t te kwadrateren in s=1/2*a*t^2.
bij 1ms scheelt dat een factor 1000.

[OOOVincentOOO]

Er was nog een methode waarmee men de impulse/stralingsdruk wellicht kan meten:

Neem een laser wat een metaal oppervlakte graveerd met minimale/geen verdamping alleen plastische vervorming (volgens mij heet dat zo). Schiet met enkele laser pulzen een putje.

Neem een hamer(tje) en een ponsje en sla een vergelijkbaar putje in het metaal. Impulse is dan gewicht hamer en delta tijd. Dat zou orde groottte gelijk moeten zijn.

Bij nader nadenken en studeren lijkt mij deze methode onmogelijk. Indien ik de "Indentation hardness" van aluminium opzoek zijn drukken van 160 MPa of meer nodig (Brinell hardness). Indien men dit met stralings druk wil doen kom ik op belachelijke laser vermogens van meer dan 1 MW bij 1mm2. De verdamping van Aluminium is bij een veel lager laser vermogen (lasercutting).

Waar maak ik de denkfout? Waarom is heeft de "Indentation hardness" een groter vermogen nodig dan verdampen?

[Michel Uphoff]

Met bovenstaande opstelling een testje gedaan, maar het ziet er niet goed uit:

In een vacuümkamertje (ongeveer 0,3 mbar) is een spiegeltje opgehangen aan een strookje alufolie. Het spiegeltje is een van de reflectoren in een Michelson interferometer. Het was de bedoeling a.d.h.v. het wijzigende interferentiepatroon wat te kunnen zeggen over een eventuele verplaatsing van de spiegel a.g.v. fotondruk en/of expansie van lucht voor de spiegel.

De locatie op de foto bleek volkomen ongeschikt. Het lukte daar totaal niet het spiegeltje trillings- en slingervrij te krijgen het huis beweegt gewoon teveel.
Maar ook beneden in de serre, los van het huis en direct op de betonplaat die op de grond ligt zijn de trillingen nog te sterk voor een interpreteerbaar resultaat. Ik probeer nog wat uit met schokdemping, maar weet eigenlijk wel zeker dat dit zo niet gaat lukken.

Jammer, maar niet geschoten is altijd mis.

[Professor Puntje]

Ik heb dit topic niet gevolgd dus het kan zijn dat mijn idee al is langsgekomen. Maar toen ik het experiment van Michel zag vroeg ik mij af of het spiegeltje met lazerpulsen misschien wel meetbaar in fase van die pulsen aan het slingeren kan worden gebracht. Wellicht kun je dan uit de amplitude van dat slingeren terugrekenen hoe sterk de zetjes geweest zijn.

[Michel Uphoff]

vroeg ik mij af of het spiegeltje met lazerpulsen misschien wel meetbaar in fase van die pulsen aan het slingeren kan worden gebracht

Je hebt mijn gedachten geraden. Dat was precies wat ik van plan was:
- meet de slingerduur van het spiegeltje
- maak een gatenschijfje met motortje dat pulsen op deze 'resonantiefrequentie' doorlaat
- kijk of er een meetbaar resultaat uitkomt

Bijkomend probleem is natuurlijk nog steeds dat de lucht aan de voorzijde van het folie/het spiegeltje door de warmte zal expanderen en wat druk zal uitoefenen. Daarom was ik op zoek naar mogelijkheden een diep vacuüm betrouwbaar te meten. Maar naar het zich laat aanzien, kan ik de proef op deze manier wel vergeten. Ik zal nog een keer midden in de nacht kijken of ik het geheel stil genoeg kan laten hangen.

[jkien]

Komt de onrust misschien door Brownse beweging van de aluminiumfolieslinger in de lucht die bij die lage druk toch nog aanwezig is? Voor Brownse beweging geldt equipartitie van energie: de gemiddelde kinetische energie van het voorwerp is gelijk aan de gemiddelde kinetische energie van een luchtmolecuul, die gelijk is aan ½kT, waar T de temperatuur van de wand is (in kelvin). De gemiddelde zwaarteenergie van de slinger is daar ook aan gelijk. Dan zou de gemiddelde uitwijking van de slinger evenredig zijn met √T . Misschien kun je zien of de onrust van de aluminiumfolieslinger toeneemt als je de buitenkant van het vat verwarmt met een heteluchtpistool.

[Xilvo]

Als ik de maximale potentiele energie van de slinger ½L.m.g.α² gelijk stel aan ½k.T, dan kom ik op een uitslag van 1,8E-10 m. Aannames: slingerlengte 8 cm, massa 1 g.

Dat zou dan geen rol moeten spelen.

[OOOVincentOOO]

Bijkomend probleem is natuurlijk nog steeds dat de lucht aan de voorzijde van het folie/het spiegeltje door de warmte zal expanderen en wat druk zal uitoefenen.

@Michel Uphoff

Betreffende opstelling.
Er kunnen enkele moleculen water verdampen van het oppervlakte wat het slingertje in beweging zet. Ik geloof niet alleen dat het lucht is wat verwarmt maar ook het monolaagje water aan verlichte oppervlakte slingertje.

Op oppervlakten zit nog een monolaagje water. Bij hoog vacuum processen moet het vacuum systeem verhit worden >50 ºC bij drukken <10E-6 mBar om dit monolaagje te verwijderen. Dit water kan uren tot dagen erop blijven voordat het verdampt en afgepompt word (heb je een turbo of cryo pomp nodig). Over vinger afdrukken (vet) maar gezwegen die krijg je niet weggepompt/verdampt.

Betreffende te meten effect:

Slinger: 8 cm
Gewicht: 1 gr
Power laser: 1 Watt (heb jij zo een sterke laser?)

Zodat:

\(F_{impuls}=\frac{P}{c}=\frac{1}{3*10^8} \space[N]\)

\(\frac{L_{impulse}}{L}\approx\frac{F_{impulse}}{mg}\)

\(L_{impulse}\approx \frac{8*10^{-2} *0.3333*10^-8 }{1*10^{-3}*10} = 26,6666 \space [nm]\)

Ik denk dat 27 nm aan de grenzen is wat je kan meten met jouw Michelson. Ligo gebruikt 1 W laser en 40 kg (zware gewicht!!! dempt verstoringen!). Indien men dat uitrekend met slinger 1 meter komt men orde grootte: 10^-12 meter. Goed meetbaar voor Ligo en conform informatie wat ik gevonden heb.

https://www.ligo.org/science/Publicatio ... /index.php

[HansH]

Met bovenstaande opstelling een testje gedaan, maar het ziet er niet goed uit:

toch denk ik dat dit samen met het voorstel voor resonantie van de slinger wel de oplossing zou moeten zijn. Echter in denk dat de slinger nog voor verbetering vatbaar is. Ik kan niet precies zien hoe de slinger is opgehangen, maar dat zou met zo min mogelijk wrijving moeten.
als je laserpulsen stuurt die het spiegeltje aandrijven aan een slinger dan is de uitwijking in steady state bepaald door de wrijvings energie. het aangevoerde vermogen door de lichtdruk is dan gelijk aan het vermogen wat je tijdens de slingering kwijtraakt. Dus is het zaak om de slinger met zo min mogelijk verlies te laten slingeren. Dat doe je door de ophanging de laten slingeren via een heel scherp oppervlak, bv een scheermesje.

slinger1.gif (6.04 KiB) 1127 keer bekeken

Verder zou je de toegevoerde energie moeten maximaliseren, dus laser aanzetten gedurende het hele interval dat er energie aan de slingerbeweging toegevoegd kan worden. Dat is dus van het eerste dode punt tot het 2e dode punt van de slingerbeweging, dus een blokgofvormige laserpuls met dutycycle =50% en frequentie gelijk aan de slingerfrequentie.
Verder zou je de spiegel niet meer oppervlak moeten geven dan nodig om de laserpuls op te vangen omdat de wrijving met de lucht evenredig is met het totale bewegende oppervlak. dat moet dus zo klein mogelijk zijn. En je zou wat massa kunnen toevoegen zodat de slingerfrequentie laag blijft. De wrijving in het ophangpunt is immers evenredig met de snelheid en de massa en wrijving met de (nog resterende) lucht zelfs kwadratisch met de snelheid. Dus voor luchtwrijving helpt het om wat meer massa te nemen. Verder zou je voor de detectie nog een synchrone detectie kunnen toepassen. Dat is een techniek waarbij je via demodulatie van je detector signaal (= vermenigvuldiging met de aandrijf frequentie) een DC component overhoudt met je informatie plus een AC component met de storing. door maar lang genoeg te filteren kun je alle storing uitfilteren en houdt je alleen de amplitude van je ontvangen signaal over (gedemoduleerd als DC component )
Meer massa maakt volgens mij niet uit, duurt hooguit wat langer om steady state situatie te bereiken.

[HansH]

ps de eerste puls moet denk ik een dutycycle hebben van 25% omdat je van de evenwichtssituatie naar maximale uitwijking gaat, dus 1/4 periode. Met een halve periode als eerste periode lever je dus geen energie.

[Michel Uphoff]

Brownse bewegingen, monolaagjes water, meskantscharnieren, betere slinger, optimalisatie duty cycle; het heeft allemaal weinig zin om uit te zoeken als het zelfs niet lukt het spiegeltje in deze vrij plompe testopstelling (8 mm breed alufolie van 10 cm lang aan een spiegeltje van 1,5 gram) voldoende stil te krijgen op de meest trillingarme plek in mijn huis.

Ik blijf het nog even proberen, maar heb er de nodige scepsis bij.

[Xilvo]

Extreem kleine krachten, verstorende trillingen, verstoring door opwarming, verstoring door gaseffecten (30 Pa is bij lange niet laag genoeg).
Ik denk dat het bijna ondoenlijk is met een hobbyopstelling stralingsdruk vast te stellen.

[OOOVincentOOO]

Naar mijn inzicht bestaan de volgende methodes:

1)
Met een Michelson inteferometer (spiegel arm 8 cm massa 1 gram) met laser:
1 mW: verplaatsing <1 nm niet meetbaar.
1 W: verplaatsing ~ 27 nm (nauwelijks meetbaar, men heeft Ligo nodig + massa om te dempen + langere arm)
10 W: verplaatsing ~ 270 nm goed meetbaar laser vermogen is hoog en gevaarlijk (echter demping nodig tegen trillingen).

2)
Opstelling "Nichols radiometer" ik weet de settings niet maar ik schat:
100 W: geschatte verplaatsing ~2,7 um meetbaar met wijzer schaalverdeling (bij veerbelasting 1 gram en arm 8 cm).
https://en.wikipedia.org/wiki/Nichols_radiometer

3)
Opstelling met spiegel en loadcell (rekstrookje). Zoals commerciele laser vermogens meters doen.

Dit is wat ik geleerd heb van dit topic.