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Bachelor-Phase

Fortgeschrittenenpraktikum in der Bachelor-Phase (FPR-B)

Die folgende Liste enthält eine Kurzbeschreibung der Versuche im FPR-B. Der Name der/des Verantwortlichen ist jeweils am Ende angegeben.

Nicht alle Versuche finden in jedem Semester statt. Welche Versuche im jeweiligen Semester angeboten werden, ist dem Veranstaltungsverzeichnis zu entnehmen.

FRESNEL-Beugung

Die Ablenkung von Lichtwellen an optischen Hindernissen und die dem zugrunde liegende Theorie der Beugung und Interferenz ist ein elementarer Bestandteil der Optik.

In diesem Versuch werden zum einen die Grundlagen des Arbeitens mit optischen Aufbauten und Lasern vermittelt und zum anderen die physikalischen Konzepte hinter dem Effekt der Frauenhofer- und Fresnelbeugung nähergebracht und erforscht. Dazu werden in einem optischen Aufbau die Entwicklung des optischen Feldes ausgehend vom Nahfeld der beugenden Struktur bis hin zum Fraunhofer-Fernfeld abgebildet. Sie lernen hierbei u.a., wie auch ein reines Phasenobjekt einen Bildkontrast erzeugt und was es mit dem Poisson-Arago-Fleck auf sich hat. Zusätzlich werden mit einfachen numerischen Simulationen in der Matlab-Softwareumgebung die experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Erwartungen verglichen.

  Niklas Müller, AG UND  (» Versuchsanleitung)

Virtuelles Femtolabor

Ultrakurze Laserpulse sind ein faszinierendes Werkzeug zur Beobachtung und Manipulation von atomaren und molekularen Prozessen auf ihren intrinsischen Zeitskalen (Femto- bis Attosekundenzeitkala). Neben der Erzeugung von Femto- und Attosekundenlaserpulsen spielt heutzutage die Formung dieser Pulse eine wichtige Rolle. Die Fähigkeit ultrakurze Laserpulse praktisch nach Belieben in Amplitude, Phase und Polarisation maßzuschneidern bildet die Grundlage der kohärenten Kontrolle, d.h. der Steuerung ultraschneller Quantendynamiken (s. Virtuelles Femto-Labor Teil 2), wie elektronischen Anregungen von Atomen, der räumlichen Ausrichtung von Molekülen oder dem gezielten Aufbrechen molekularer Bindungen.

Dieser erste Teil der Versuchsreihe „Virtuelles Femto-Labor“ vermittelt in drei Simulationsmodulen die Grundlagen eines modernen Femtosekunden-Laserlabors und führt dabei in die theoretische Beschreibung ultrakurzer Laserpulse ein. Das erste Modul widmet sich der Erzeugung solcher Pulse in einem typischen Ti:Sa Femtosekunden-Oszillator. Im zweiten Modul werden die Oszillatorpulse spektral phasenmoduliert und so die Funktionsweise eines 4f Fourier-Transformationspulsformers erarbeitet. Das dritte Modul dient schließlich der Vermessung der geformten Laserpulse mit Hilfe verschiedener Charakterisierungsverfahren, wie der Autokorrelation, der spektralen Interferenz oder Spektrogramm-basierten Methoden (FROG).

Stichworte: Physikalisch: Laser, Frequenzkamm, Modenkopplung, 4f-Aufbau, Flüssigkristall-Modulator, Dispersion, Mach-Zehnder Interferometer, Autokorrelation, Spektrometer, FROG
Mathematisch: Fourier-Transformation.

Dr. Tim Bayer, AG ULTRA  (» Versuchsanleitung)

Optische Eigenschaften von optischen Filtern und Halbleitern

Der Versuch führt in die wellenlängenselektive Manipulation elektromagnetischer Strahlung durch optische Filter wie Neutraldichtefilter bzw. Kurz- oder Langpassfilter ein. Die gezielte Einstellung von Brechungsindex und Schichtdicke von Antireflexschichten wird anhand einer Reflexionsmessung an einer mit Antireflexschicht versehenen Solarzelle analysiert. Interferenzeffekte in der optischen Transmission von dünnen Halbleiterschichten auf Glas werden genutzt, um Schichtdicken von einigen hundert Nanometern mit geringem Fehler zu bestimmen. Eine weitgehende Charakterisierung der optischen Halbleitereigenschaften wird erreicht durch die Ableitung des spektralen Brechungsindexes und des Absorptionskoeffizienten mit Bestimmung der optischen Bandlücke der Halbleiterdünnschicht.

Ziel des Versuches ist eine vertiefte Beschäftigung mit der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Mittels Auseinandersetzung mit der jüngeren wissenschaftlichen Literatur wird die sog. Swanepoel-Methode erlernt und auf die eigenen optischen Transmissionsmessungen zur Bestimmung von Schichtdicke, Brechungsindex, Absorptionskoeffizient und Bandlücke von Halbleitern angewendet.

Pjotre Wemhoff, AG RASPE  (» Versuchsanleitung)

Optoelektronische Eigenschaften von Halbleitern

Die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie wird anhand der Absorption von Licht in Halbleitern studiert. Die mit der Absorption einhergehende Photogeneration von Elektronen und Löchern und der damit verbundene Photostrom bildet die Grundlage für die Funktionsweise von vielen Halbleiterbauelementen wie Sensoren oder Solarzellen.

In diesem Versuch werden einige für optoelektronische Anwendungen wichtige Kenngrößen von Halbleitern besprochen und anhand von hydrogenisierten, amorphen Siliziumdünnschichten experimentell bestimmt. Mit einem Spektrophotometer wird die spektrale Transmission der Siliziumproben gemessen. Sie erlaubt die Bestimmung der Schichtdicke, des spektralen Absorptionskoeffizienten, des spektralen Brechungsindexes und der Bandlücke des Absorbers. Bzgl. der elektronischen Eigenschaften wird aus der Messung des elektrischen Dunkelstroms die Lage der Fermi-Energie bestimmt. Auswertedaten aus der o.g. optischen Transmission werden im weiteren Verlauf genutzt, um aus der Messung des Photostroms die Photoleitfähigkeit und das Produkt aus der Beweglichkeit und der Lebensdauer für die Majoritätsladungsträger zu ermitteln. Die Photoladungsträgergittermethode (engl. steady-state photocarrier grating method) nutzt die elektronischen Transporteigenschaften aufgrund der inhomogenen Ladungsträgergeneration aus, um das Beweglichkeits-Lebensdauer-Produkt der Minoritätsträger abzuleiten. Diese Beweglichkeits-Lebensdauer-Produkte korrelieren mit der Defektdichte der Probe und können somit als ein Gütekriterium für die untersuchte Halbleiterprobe diskutiert werden.

Rudi Brüggemann, AG RASPE  (» Versuchsanleitung)

Spektroskopie am Jod-Molekül

Absorptionsspektren von Molekülen weisen im Allgemeinen eine charakteristische Bandenstruktur auf, die sich aus den von Atomen her bekannten elektronischen Übergängen sowie einer überlagernden Schwingungs- und Rotationsstruktur zusammensetzt. Eine entsprechende Beschreibung der Bandenspektren kann aus der Theorie der Molekülphysik (Born-Oppenheimer-Näherung, Franck-Condon-Prinzip, ...) hergeleitet werden.

In diesem Praktikumsversuch sollen charakteristische Größen des Jod-Moleküls anhand von Absorptionsspektren ermittelt werden. Hierzu sollen zunächst die Grundlagen der optischen Spektroskopie kennengelernt werden. Nach der Charakterisierung der Messanordnung werden dann temperaturabhängige Absorptionsspektren eines Jod-Gases aufgenommen. Anschließend sollen ausgewählte Linien den entsprechenden Übergängen zugeordnet und spezifische Größen wie die Dissoziationsenergie bestimmt werden.

Thomas Quenzel, AG UNOVersuchsanleitung)

Ultraschnelle Photolumineszenz

Durch die Wechselwirkung mit Licht kann Materie durch Absorption eines Photons in einen elektronisch angeregten Zustand gebracht werden. Bei der Relaxation in den Grundzustand kann wiederum ein Photon ausgesendet werden, wobei man hierbei von Photolumineszenz spricht. Die Lebensdauer des angeregten Zustandes kann zwischen einigen 100ps bis ns (Fluoreszenz) oder auch ms bis Stunden betragen (Phosphoreszenz).

In dem Praktikumsversuch wird mittels Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie der Farbstoff Oxazin in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Durch das zeitaufgelöste Einzel-Photonen-Zählen (TCSPC, Time Correlated Single Photon Counting) sollen zudem die Fluoreszenzlebensdauer gemessen und anhand von polarisationsabhängigen Untersuchungen Depolarisationszeiten bestimmt werden.

Antonietta de Sio, AG UNO  (» Versuchsanleitung)

Optische Strömungsmessung mit Particle Image Velocimetry (PIV)

Die Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein optisches Messverfahren, mit dem Gas- oder Flüssigkeitsströmungen quantitativ vermessen und strömungsmechanische Vorgänge untersucht werden können. Dieser Versuch soll eine Einführung in die Methodik der PIV geben und deren Einsatzmöglichkeiten demonstrieren.

Im Experiment wird zunächst ein optischer Aufbau erstellt, an dem grundlegende Eigenschaften des zum Einsatz kommenden Argon-Ionen Lasers und des PIV-Verfahrens erkundet werden. Neben der Messung des Emissionsspektrums mit holografischem Beugungsgitter wird detektiert, welche transversale elektromagnetische Mode (TEM) generiert wird. Nach einer geeigneten Laserstrahlformung werden an einer modellierten laminaren Strömung Bilder von eingebrachten Streuteilchen aufgenommen und unter Verwendung der diskreten Kreuzkorrelation ausgewertet, womit die Bestimmung des Messbereichs und der Genauigkeit der PIV-Methode ermöglicht wird. Schließlich wird das Verfahren an einer Flüssigkeitszelle eingesetzt, um wesentliche Eigenschaften der Rayleigh-Bénard-Konvektion zu untersuchen.

Gerd Gülker AG TWIST  (» Versuchsanleitung)

Aerodynamischer Widerstand am Beispiel des Schalensternanemometers

Das Schalensternanemometer ist der am häufigsten eingesetzte Sensor zur Vermessung atmosphärischer Windgeschwindigkeiten. Seit der Erfindung 1846 sind viele Veränderungen und Optimierungen an dem Anemometer erfolgt, um das Antwortverhalten bei turbulenten Strömungen zu verbessern. Baubedingt wird das Anemometer jedoch immer bei schnell abfallendem Wind die Geschwindigkeit überschätzen - dieser Effekt wird "Over-Speeding" genannt.

In diesem Versuch soll mit einfach Mitteln ein Schalensternanemometer selber aufgebaut werden. Grundlegend für das Verhalten des Anemometers sind neben der Schalenform auch die Symmetrie des Aufbaus. Diese Elemente des Anemometers sollen systematisch variiert und im Windkanal charakterisiert werden. Dabei soll für alle aufgebauten Konfigurationen eine Kalibrierung vorgenommen werden, um die Unterschiede anschließend zu diskutieren. Zusätzlich soll das Verhalten bei schnellen Geschwindigkeitsänderungen erfasst und in Verbindung mit dem Aufbau gebracht werden. Basierend auf den grundlegenden Bewegungsgleichungen sollen theoretisch erwartete Ergebnisse mit den Messergebnissen abgeglichen werden. Hierzu ist ein Verständnis der wirkenden Kräfte und Momente erforderlich.

Michael Hölling, AG TWIST  (» Versuchsanleitung)

Astrometrie und Photometrie von Zwergplaneten und Asteroiden

In diesem Versuch werden Sie grundlegende Techniken der modernen lichtoptischen Astronomie erlernen. Die grundlegende Aufgabe besteht darin, die Position, Bahnparameter und Helligkeit von Kleinplaneten zu bestimmen. Die Auswahl der Objekte wird mittels einer Planetariumssoftware geplant und das ausgewählte Objekt wird während des laufenden Semesters beobachtet. Zu Beobachtung der Himmelsobjekte werden Sie die Verwendung von robotisch gesteuerten Teleskopen in Chile und auf Teneriffa erlernen. Die Beobachtungen teilen sich nicht in zwei Labortage zu je acht Stunden auf, sondern laufen mit geringem wöchentlichem Aufwand das gesamte Semester.

Esther Drolshagen, Theresa Ott, Hendrik Neumann, AG Med. Strahlenphysik (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Festkörperlaser

Festkörperlaser stellen die „Arbeitstiere“ der Laserquellen in Industrie, Medizin und Wissenschaft dar. Anwendungsgebiete umfassen unter anderem Präzisionsmessungen, Materialabtrag, Schweißen, Chirurgie, Licht-Materie-Wechselwirkungen und Quantenkontrolle.

Im Rahmen dieses Versuches wird ein diodengepumpter Dauerstrich-Laserresonator mit einem Nd:YAG Kristall als aktivem Medium von Grund auf aufgebaut, justiert und charakterisiert.

Als Vorbereitung werden verschiedene Laserresonatoren unter Verwendung der Gaußschen Optik simuliert und danach experimentell umgesetzt. Die Charakterisierung umfasst unter anderem die Analyse von transversalen elektromagnetischen Moden (TEM) sowie die Messung des Wirkungsgrads. Abschließend wird eine nichtlineare Frequenzverdopplung innerhalb und außerhalb des Resonators realisiert. Ziel des Versuchs ist Einarbeitung in die Grundlagen der Lasertechnik und die direkte Umsetzung im Aufbau und Charakterisierung eines Laserresonators.

Lars Englert, AG ULTRAVersuchsanleitung)

Diodenlaser

LASER steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Das Grundprinzip eines jeden Lasers besteht in der stimulierten Emission von Licht, die eine Lichtverstärkung unter Beibehaltung von Frequenz, Polarisation und Phase bewirkt. Moderne Halbleiterlaser, oft als Laserdioden bzw. Diodenlaser bezeichnet, gehören zu den effizientesten Lasersystemen.

In diesem Versuch sollen die Grundlagen über Laserdioden zunächst kennengelernt werden. Dann sollen die charakteristische Strom-Spannungs Kennlinie und das Spektrum einer Laserdiode ermittelt werden. Zudem soll das temperaturabhängige Verhalten der Laserdiode untersucht werden. Anschließen sollen die Veränderungen der Kennlinien und Spektren der Laserdiode als Funktion der Temperatur diskutiert werden.

Trung Nguyen, AG UNOVersuchsanleitung)

Elektronische Eigenschaften von Molekülen und Kristallen mittels ab initio Berechnungen (Online Versuch)

Die elektronische Struktur, d.h. die Verteilung der Elektronen innerhalb der verfügbaren Energieniveaus, bestimmt die meisten Materialeigenschaften, einschließlich ihrer Farbe und ihrer Fähigkeit, Wärme und elektrischen Strom zu leiten. Diese Informationen kann man theoretisch im Rahmen der Dichte-Funktional-Theorie (DFT), einer der erfolgreichsten quantenmechanischen ab initio Methoden, erhalten. Die einzigen notwendigen Informationen dafür sind die chemische Zusammensetzung und die atomaren Anordnung der Materialien. In diesem Praktikumsversuch wird man lernen, wie man die elektronische Struktur von Materialien, inkl. organischen Molekülen, sowie kristallinen Metallen und Halbleitern, berechnen und interpretieren kann. Zu diesem Zweck werden bekannte DFT-Softwarepakete und die dazugehörigen Visualisierungstools verwendet. Darüber hinaus wird die Gelegenheit geboten, Erfahrungen in der Programmierung zu sammeln. Kurze Skripte in Bash oder Python sollen geschrieben werden, um Berechnungen zu automatisieren, sowie Ausgabedaten zu extrahieren und zu analysieren. Gute Kenntnisse der Grundlagen der Quantenmechanik sind die einzige Voraussetzung für diesen Praktikumsversuch. Dieser Praktikumsversuch kann auch online durchgeführt werden.

Prof. Dr. C. Cocchi, A. Valencia, H.-D. Saßnick, AG ESTVersuchsanleitung)

Solarzelle

Der Versuch widmet sich der umfassenden elektrooptischen Charakterisierung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit einem typischen Schichtaufbau entsprechend eines pn-Übergangs. Die Zielsetzung des ersten Versuchsteils besteht in der Ermittlung der technischen Solarzellenkenngrößen, der aus einem angenommenen Diodenmodell (nach Shockley) abzuleitenden Kenndaten des Ersatzschaltbildes mittels Strom-Spannungs-Messungen im Dunkeln und unter simulierter Solarstrahlung bei verschiedenen Temperaturen und variabler Beleuchtungsstärke. Die auf diesem Experiment aufbauende Messung der externen spektralen Effizienz (Zahl der am Kontakt extrahierten Ladungsträger pro eingestrahltem Photon) dient zur Beurteilung der spektralen Anpassung des Absorbersystems und zur Abschätzung möglicher optischer oder elektrischer Verluste. Aus den gewonnenen Daten kann schließlich der Wirkungsgrad und seine Abhängigkeit von der Temperatur und der Beleuchtungsstärke gewonnen werden.

Stephan Heise, AG UND  (» Versuchsanleitung)

Charakterisierung eines Solarmoduls

In einem Solarmodul werden Solarzellen sowohl parallel, als auch in Serie (Strings) verschaltet, um hohe Gleichspannungen und Gleichströme abgreifen zu können. Die Ausgangsleistung des Moduls hängt stark vom Leistungsprofil der einzelnen Solarzellen ab. Die schwächste Zelle limitiert die Gesamtleistung des Moduls. Im Betrieb kann die Modulleistung durch Abschattung von Zellen oder von Teilflächen einzelner Zellen beträchtlich reduziert werden. Dies passiert beispielsweise bei ungleichmäßiger Beleuchtung der Modulfläche, Abschattung durch Bäume, Häuser, und nicht zuletzt durch Verschmutzung der Oberfläche des Moduls. Diese lokalen Abschattungen können das Modul im Extremfall sogar nachhaltig schädigen. Als Gegenmaßnahme werden so genannte Bypass- und /oder Sperrdioden eingebaut, welche Leistungsverluste und eine mögliche Beschädigung des Moduls verhindern.

Ziel des Versuches ist es, einerseits die Ausgangparameter des Moduls unter realen Bedingungen (Messung im Freifeld) und andererseits unter nichtidealen Bedingung mit künstlich hervorgerufener Teilabschattung zu bestimmen und die Auswirkungen auf Basis der Maschenregel zu verstehen.

Janet Neerken, AG UND  (» Versuchsanleitung)

Elektronik für den Laboralltag

Das Praktikum soll den Teilnehmer/Innen einen Einblick in die Tätigkeiten der Elektronikwerkstatt verschaffen und dabei wichtige Fähigkeiten für den Laboralltag praktisch näher bringen.

An einem praktischen Beispiel (z.B. Oszillator, Verstärker o.ä.) werden die einzelnen Schritte für den Bau dieses Systems besprochen und durchgeführt. Dazu sollen das "Layouten" und Erstellen der Platine (CAD Software), Bau des Gehäuses mit den jeweiligen Anschlüssen, Bestücken der Platinen und die Inbetriebnahme (inkl. Abnahmeprotokoll) von den Teilnehmern durchgeführt werden.

Der Schwerpunkt des Praktikums liegt auf dem Erlernen der handwerklichen Fähigkeiten, die den Arbeitsalltag im Labor erleichtern sollen. Dabei werden auch die unterschiedlichen  elektrischen Verbindungsarten  (Löten, Krimpen usw.) praktisch erarbeitet und der sichere Umgang mit Messgeräten vertieft. 

Thomas Madena, Jens Arne Jenn, Elektronikwerkstatt  (» Versuchsanleitung)

Room acoustics in a "shoebox"

In this experiment a shoebox shaped scale model of a room will be used to explore and understand the main properties of the acoustics in a room. In a first part the modal structure of the empty room in form of standing waves will be calculated and determined experimentally for low frequencies. Secondly, the effect of modifying room acoustical properties will be explored. What is the effect of altering the boundary conditions of wave propagation by placing damping material on the rigid walls, of introducing an extra wall in the room, and of inserting damping material between the loudspeaker as source and the microphone as receiver? In a third part, the statistically describable room acoustical behaviour at high frequencies will be investigated and some statistical parameters that govern room acoustics at high frequencies will be measured.

Steven van de Par, AG Acoustics (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Dosimetrie am Beschleuniger (Online Versuch))

Im Bereich der Strahlentherapie werden Linearbeschleuniger zur Bestrahlung von Tumoren eingesetzt. Jede Bestrahlung wird für jeden Patienten individuell geplant. Der messtechnischen Verifikation von Bestrahlungsplänen kommt dabei eine große Bedeutung zu.

Im Rahmen des virtuellen Praktikums lernen die Teilnehmer Strahlungsmessungen am Beschleuniger mit Ionisationskammern, Halbleiterdetektoren sowie Ionisationskammerarrays kennen. Zum einen werden theoretische Grundlagen erlernt, zum anderen werden Experimente bereitgestellt, die online nachverfolgt werden können und die theoretischen Grundlagen praktisch umsetzen. Dabei werden Tiefendosiskurven und Dosisprofile von Photonenfeldern verschiedener Größe vermessen, sowie die Wasserenergiedosis nach DIN 6800-2 bestimmt. Des Weiteren werden beispielhafte Patientenpläne messtechnisch verifiziert.

Im Rahmen des Praktikums werden die Studierenden einen Einblick in die Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Medizinische Strahlenphysik bekommen und typische Fragestellungen aus dem klinischen Alltag kennen lernen.

Das Praktikum kann jederzeit während des Semesters stattfinden, aufgrund der aktuellen Situation findet das Experiment ausschließlich online statt.  Das Praktikum umfasst 2 Versuche die getrennt durchgeführt und bewertet werden."

Björn Poppe, Ann-Britt Schönfeld, Leonie Brodbeck, Isabel Blum, AG Med. Strahlenphysik (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Psychophysik, Neurosensorik und auditorische Signalverarbeitung (Block-PR)

Das Blockpraktikum findet jeweils Mitte / Ende September statt und umfasst insgesamt 6 Versuchstage (entsprechend 3 Versuchen). Inhalte sind: Grundlagen und Anwendung der Physik, Psychophysik und Neurosensorik, insbesondere beim Gehör: Grundlagen und Methoden der Signalverarbeitung; Anatomie, Physiologie, Pathologie und Diagnostik des Hörens; absolute und differentielle Wahrnehmung von Schall; Maskierung; Signalentdeckungstheorie; Binaurales Hören; Sprachverständlichkeit; akustisch evozierte Potentiale; funktionelle Magnetresonanztomographie; otoakustische Emissionen.

 Stefan Uppenkamp, AG MEDI (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Webmasterc+uys (milkoarchael.kruegerj0/d@uvbinol.ddile) (Stand: 08.10.2020)