Mäta en minimal minskning av ljusstyrkan i en laserstråle

[Kvantagon]

PROJEKT
Strålen från en röd laserdiod träffar en strålklyvare 50/50. Hälften av strålen, 50 %, fortsätter rakt fram, rätt igenom en ”Black Box” träffar en fotodiod 2 utanför lådan. Den andra halvan av strålen, 50 %, vinklar av mot fotodiod 1, som alltså blir referenskanal och går till CH1 på oscilloskopet.

I viloläget för BB blir det två raka, horisontella linjer på oscilloskopet, CH1 och CH2. Aktiveras BB förblir CH1 en rak linje, medan CH2 i bästa fall visar en serie en rad små spikar ... om experimentet lyckas.
Det jag vill mäta är, om den Svarta lådan kan påverka (minska) laserljuset.

Jag aktiverar BB genom att sända en signal från en funktionsgenerator. Jag börjar med fyrkantvåg av olika duty cycle och sveper från en låg frekvens till en hög. I första fasen ersätter jag BB med ett hårstrå som jag manuellt sveper vinkelrätt genom laserstrålen. En snabb kalkyl visar att hårstrået bryter 0 – ca 3 % av laserljuset.

MIN FRÅGA
Hur ska jag mäta och förstärka en minimal skillnad i ljusstyrka mellan de två laserstrålarna? Jag misstänker att jag behöver hög förstärkning (över 1000) och lågt brus. Min tanke är att använda en instrumentförstärkare.
Kan någon rekommendera en lämplig instrumentförstärkare? Den får gärna kosta en slant.
I övrigt är jag tacksam för alla tips, idéer, kommentarer, förslag och länkar.

UTRUSTNING
Laserdiod, 1-3 mW, 650 nm. Strålens diameter ca 2 mm.
Funktionsgenerator 3 MHz
2 kanal Oscilloskop 50 MHz

ÖVRIGT
Inom elektronik ser jag mig själv som en ”professionell amatör”, som genom åren lött och (kopplings)däckat enstaka byggsatser, men alltid via ett färdigt kopplingsschema.
Det här projektet har jag drömt om i många år. I sommar drar jag äntligen igång.
Tacksam för alla svar.

[guckrum]

Vad har du för bandbredd på skillnaden du vill mäta? Är det periodiska förlopp, "slumpmönster" eller enstaka händelser?

[Kvantagon]

Jag kan välja signal själv. Periodiskt förlopp eller en enstaka puls, t.ex.

[Nerre]

Grejen är väl att i och med att du kommer att använda kraftig förstärkning så måste du filtrera bort brus. Och det gör man oftast med lågpassfilter. Men är det korta förlopp så funkar ju inte ett lågpassfilter.

Referenssignalen borde du kunna filtrera rätt kraftigt, för den ska väl inte variera? Och då borde du väl lika gärna kunna byta ut referenssignalen mot en fast spänning?

[guckrum]

Ja, det optimala filtret matchar ju som bekant signalen.

[Kvantagon]

Laserdioden kan variera i ljusstyrka, och då varierar både referenssignalen och mätsignalen.

[Kvantagon]

Min tanke bakom att svepa signalen över ett frekvensintervall är att den svarta lådan kan ha en resonansfrekvens, ett smalt fönster, där signalen påverkar mätstrålen.

[Swech]

Vad är det du skall detektera, eller är det lite hemligt ?

Swech

[Kvantagon]

Låt mig säga så här.
Om Einstein fick nys om den svarta lådan, skulle han förmodligen rotera så snabbt i sin grav att friktionsvärmen skulle räcka för hela Princetonuniversitetet.

[E Kafeman]

Det absolut vanligaste sättet att detektera små variationer av laser-stråles intensitet och gångväg är att man detekterar modulation genom att demodulera med bärvågen från den egna källan.
Det är bara att glömma att tro att man kan mäta direkt på ej demodulerad signal och få samma känslighet.
Dels kostar det mer än ett halvdussin bilar bara för initiala uppsättningen och dels blir det fortfarande sämre resultat.
Att demodulera laser-signalen med egen källa kallas för interferometri.
Det är den tekniken som används när man mäter variationer orsakade av gravitations-vågor, händelser i en avlägsen galax, då det är känsligaste metoden man känner till.
Interferometri kan varieras hur den utförs i praktiken på 100-tals sätt men grunden är som bilden nedan.
Metoden är tekniskt enkel, två stabila ljusstrålar utgående från samma laser-källa som mixas efter att gått olika långt eller passerat olika hinder kan justeras för att skapa ett mönster som kan vara flera centimeterbreda ringar, där varje ring motsvarar en våglängd av laserljuset. Med enkel foto-detektor kan man mäta utsläckning pga av minimala variationer, avstånd mindre än laser-våglängden, eller relativa förändringar i strålens intensitet som kan variera från full utsläckning och till laserns fulla intensitet pga av skillnader i gångväg eller skillnader i dämpning.
Metoden kan utvidgas på flera sätt, t.ex. för automatisk bildbehandling genom att låta bägge strålarna passera varsitt nästan lika foto-negativ där man sedan i frekvensdomänet kan avläsa minimala skillnader mellan dessa negativs bildinnehåll. Sådan signalbehandling kräver minimalt med CPU-kraft och resultatet är omedelbart så det kan tillämpas där t.ex. ena bildkällan är realtid analog bild, dvs ej pixelupplösning.
Grunduppställning:

Interferometer.png

Om ligo, gravitationsmätning: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v6

[Kvantagon]

Är det en Michelson interferometer på bilden?

[E Kafeman]

Ja Michelson tillskrivs ursprunglig uppfinnare av optisk interferometri men det går knappast ur bilden utläsa vilken variant det är.
Snarast är det en Twyman–Green variant då Michelson inte hade någon monokromatisk laser.
Michelson var inte först med interferometri som begrepp.

[Kvantagon]

Jag har faktiskt funderat på att bygga en Mach–Zehnder interferometer, men tyckte att det verkade för mycket överkurs. (Einstein ansåg ju, att "allt ska göras så enkelt som möjligt - men inte enklare än så".)

Men om inte min "dagislösning" funkar, ska jag nog ta mig en ny titt på interferometri. Tack för att du väckte min tanke.

[Henry]

Sedan har det och göra om interferometri fungerar i ditt fall då det utgår ifrån att ljusets ändrar fas vilket i sin tur kan ha och göra med avstånd på ett eller annat sätt som gör att våglängder släcks och förstärks och således inte minskar i intensitet pga något som dämpar grundläggande strålen som så, om det är det tex är det som förväntas hända.

[Marta]

Om Du själv styr timingen på fenomenet som skal mätas och det är repetitivt så är kanske en lock in förstärkare vad Du behöver. En optisk rubidiumnormal använder den lösningen för att detektera den infinitesimala ljusvariationen när den påförda signalen fasmoduleras så den kan hitta rätt frekvens.