Тема: Странный эксперимент - регистрируем движение молекул и частиц

[donavi]

Провел интересный эксперимент, попытка зарегистрировать в динамике движение молекул и  частиц в жидкости.

Схема проведения эксперимента


Лазерный луч проходит через кювету наполненную жидкостью (в моем случае это сахароза) далее лазерный лучь делится по поляризации и улавлевается фотодетектором
выходящий сигнал регистрируется осциллографом.
В результате такой сигнал сжимается до 44khz и записывается в вав формате.
Другими словами можно такой спектр послушать. На выходе имеем некое подобие розового шума но насколько я понял это не совсем розовый шум сгенерированный от барабана.
Получается данный розовый шум формируется под воздействием движения молекул и частиц находящихся в жидкости, которые в движении пересекают лазерный луч.

https://yadi.sk/d/LPODiTUbfzmLn

Слегка модернизировал установку и добавил в схему интерферометр фабри-перо где в его центре стоит кювета с жидкостью и тем самым выходной сигнал увеличился примерно в 10 раз.
Но так же стали добавятся побочные эффекты такие как регистрация вибраций окружающей среды. Простым языком система начала напоминать микрофон со способностью улавливать малейшую вибрацию....

Так вот собственно вопрос будет таким Правильно ли я понимаю что в действительности розовый шум регистрирующийся фотодетектором формируется под воздействием молекул и частиц находящихся в движении в жидкости?
И почему интерферометр фабри-перо усиливает этот эффект по сути выступая в роли некого усилителя...  непонятна сама суть, ну фотоны между зеркалами бегают туда сюда,
 ну имеем встречные пучки и что с того, как усиление осуществляется?

Так же если вместо фотодетектора поставить объектив от микроскопа то отчетливо видно движение

[Gall]

Так вот собственно вопрос будет таким Правильно ли я понимаю что в действительности розовый шум регистрирующийся фотодетектором формируется под воздействием молекул и частиц находящихся в движении в жидкости?
И почему интерферометр фабри-перо усиливает этот эффект по сути выступая в роли некого усилителя...  непонятна сама суть, ну фотоны между зеркалами бегают туда сюда,
 ну имеем встречные пучки и что с того, как усиление осуществляется?

Не совсем так. Розовая компонента шума не связана с молекулярными явлениями, она чисто акустической природы.

Любая звуковая волна, проходящая через жидкость, является одновременно и волной плотности. Жидкость расширяется и сжимается. Сам по себе этот эффект был бы слаб, но жидкость находится между двух стекол, которые от этого прогибаются. В результате от любого звука жидкость меняет толщину и плотность. А вращение поляризации пропорционально и тому, и другому. Интерферометр усиливает эффект не потому, что он интерферометр, а просто потому, что он заставляет луч ходить через кювету туда-сюда много раз. Можно его даже не юстировать, а наоборот, оставить зеркала под углом, чтобы луч шел зигзагом. Это равноценно увеличению количества вещества в кювете.

Что слышно, если кювету с жидкостью убрать? В этой схеме сам лазер наверняка сильно шумит. Ведь между кюветой и лазером нет никаких фильтров - ни пространственных, ни поляризационных. И сам лазер без активной стабилизации.

[donavi]

Что слышно, если кювету с жидкостью убрать? В этой схеме сам лазер наверняка сильно шумит. Ведь между кюветой и лазером нет никаких фильтров - ни пространственных, ни поляризационных. И сам лазер без активной стабилизации.

Если убрать кювету то слышится чистый розовый шум. Если вставить кювету то слышится дополнительный треск шуршание в общим дополнительные гармоники.
момент вставки кюветы отчетливо фиксируется на записи...


Я так понял можно отсечь лишний розовый шум и регистрировать только движение частиц при помощи фильтров каких именно?

[Gall]

Разве розовый? Не белый? Как определяли, что он розовый?

Треск и шуршание - это не дополнительные гармоники, это микрофонный эффект. Кювета в такой конструкции даже шаги соседей транслировать начнет.

От шума избавиться тут трудно. Во-первых, надо вычесть шум лазера. Это надо точно такой же измерительный блок с делительным кубиком и двумя фотодиодами поставить ДО кюветы, отведя на него часть луча через полупрозрачное зеркало. И вычесть с аккуратно подобранным коэффициентом. Во-вторых, надо правильно сопоставлять сигналы с фотодиодов, учитывая нелинейность и прочее. Вы сейчас просто на осциллограф сигнал подаете - это неправильно, надо брать отношение сигналов фотодиодов с учетом нелинейности, и нельзя "наивно" считать это отношение сигналов в программе после оцифровки - это создает артефакты. В-третьих, сам лазер должен быть хорошим, и схема стабилизации, как у ЛГН-303, тут очень помогла бы. (Но это по сути и есть фотодиоды до кюветы). В-четвертых, надо полностью исключить обратные отражения в лазер от кюветы, и проще всего это сделать заодно с фильтрацией луча от посторонних мод.

Фильтрация луча делается так. Во-первых, поляризатор сразу после лазера. Настраивать на максимум пропускания. Если в лазере присутствуют следы второй моды под 90 градусов, поляризатор срежет это начисто. Потом - классический пространственный фильтр из микроскопного объектива, 20-микронной дырки и еще одного объектива. Это даст луч чистой TEM00 без примеси высших мод. Вместо пространственного фильтра можно сделать вариант "для бедных" - просто погонять луч несколько метров туда-сюда с помощью зеркал, чтобы он слегка разошелся, а потом пропустить через диафрагму. Что не прошло через дырку, то грязь.

И еще очень важно защитить всю конструкцию от постороннего света и постороних вибраций. С вибрациями засада. Жидкости очень чувствительны к ЛЮБЫМ перемещениям, даже к конвекционным потокам воздуха.

[donavi]

Разве розовый? Не белый? Как определяли, что он розовый?

Треск и шуршание - это не дополнительные гармоники, это микрофонный эффект. Кювета в такой конструкции даже шаги соседей транслировать начнет.

Вы правы он больше на белый похож и лишь когда я ставлю туда кювету то он больше на розовый похож.
Там где я запись давал там не было интерферометра фабри перо и не было микрофонного эффекта.


К сожалению конечная цель данного эксперимента даже мне не понятна и дальше в этом направлении заморачиваться не хотелось бы.

[Gall]

Ну, я бы сказал, что конечная цель уже почти достигнута - понять, какие факторы на самом деле влияют на оптику и что может привести к ошибкам эксперимента. Это ОЧЕНЬ важно и очень полезно.

Оптика, как и любые точные измерения, очень легко начинает регистрировать "погоду на Марсе", если установку не изолировать в должной мере от посторонних воздействий. Если посторонние воздействия имеют характер белого шума, а полезный эффект безотказно повторяется, тогда повезло - можно применить метод накопления, просто усреднить результаты множества повторений эксперимента. Поскольку белый шум никогда не повторяется и симметричен, при усреднении он ослабляется, в пределе до нуля, а вот отличные шума явления, наоборот, суммируются. Если применить математику (я про нее писал), то можно определить величину эффекта и погрешность измерения (или вероятность того, что эффект действительно есть). А вот если шум не белый, если идет систематическая помеха, тогда кранты. Особенно опасно, когда помехи создает сам экспериментатор или установка: тогда помехи еще и коррелируют с ожидаемым эффектом, и отличить их вообще уже невозможно никак.

Отсюда все предосторожности: лаборатории в подвалах, антивибрационные столы, кожухи, иногда даже вакуумные камеры. Отсюда требования повторения эксперимента в разное время в разных лабораториях. Закон прост: все, что не можем измерить или предсказать, надо исключить.