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)

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.

Diksha Diksha; AG Raspe (» Versuchsanleitung)

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, (» Versuchsanleitung)

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.

Katem Mitkong, AG UNO (» Versuchsanleitung)

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)

Die Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein optisches Messverfahren zur berührungslosen Erfassung von Fluidströmungen. Sie ermöglicht die quantitative Untersuchung strömungsmechanischer Vorgänge, ohne diese zu stören. Dieser Versuch soll eine Einführung in die Methodik der PIV geben und deren Einsatzmöglichkeiten demonstrieren, welche in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen haben.
Im Experiment wird hierzu ein optischer Aufbau erstellt, welcher die grundlegenden Eigenschaften der Particle Image Velocimetry verdeutlicht. Der Versuch beginnt mit der Charakterisierung des verwendeten Nd:YAG-Lasers. Anschließend wird der Laserstrahl so geformt, dass er für die PIV-Messungen genutzt werden kann. Für eine einfache, erste Anwendung werden Streuteilchen in den zuvor geformten Lichtschnitt eingebracht und eine laminare Strömung simuliert, welche unter Verwendung der diskreten Kreuzkorrelation ausgewertet und die Genauigkeit der PIV-Methode bestimmt wird. Zuletzt wird ein Wasserkanal genutzt, um mittels der PIV den Nachlauf von Zylindern zu charakterisieren.

Simon Meckelnborg AG TWIST  (» Versuchsanleitung)

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.

Felix Schmitt, AG TWIST  (» Versuchsanleitung)

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.

Voraussetzung für das Praktikum: Besuch der Astrophysik-Vorlesung

Athleen Rietze Med. Str. Phys.

Polaritons are quasiparticles that arise from strong interactions between light and matter excitations (such as crystal vibrations, electron gas oscillations, magnetic spin waves, etc.). The research fields of photonics, optics and quantum computing have all identified polaritons as a common fundamental quantum system of particular significance. Given the currently rising interest in quantum computing and in optical information processing, polariton devices are also more and more often viewed in terms of their applicability as optical processing units.

In this experimental work, the students engage in the optical characterization of a semiconductor polaritonic device. The sample under study is a monolithic microcavity, which can be thought of as a two-mirror assembly (a resonator) that confines the light within. An optically active two-dimensional quantum system is embedded into the center of the cavity. This active material is a quantum well, which is made from alternating semiconductor  layers (having different bandgaps). At very low temperatures (~10 Kelvin above absolute zero), a fundamental matter excitation, in particular, an exciton, can emerge in this quantum well. Excitons are Coulomb-bound electron-hole pairs that exhibit an optical transition dipole moment and thus can be optically accessed. When a strong electromagnetic field overlaps with the exciton, a new hybrid particle is formed – an exciton-polariton. The experimental task is to identify the manifestation of exciton-polaritons via low-temperature optical spectroscopy, which include photoluminesce and reflectivity probing of the sample.

The aim of the work is to give students an opportunity to dive into the world of modern photonics and experimental optics, to gain first experience in the handling of low-temperature equipment, and to gain some insights into current research interests of the polariton community. As much as the nature of its subject, polariton science is hybrid and consists of a wide range of topics such as: material science, photonics, classical and quantum optics, solid state and condensed matter physics. In this case, the subject offers a lot of appeal for anybody interested in the listed topics.

  Victor Mitryakhin AG Quantenmaterialien

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 ULTRA (» Versuchsanleitung)

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.

Naby Hadilou, AG UNO (» Versuchsanleitung)

Atomar dünne Halbleiter-Schichten aus Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDCs) besitzen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die sie z.B. als aktives Medium in Nano-Lasern interessant machen. Ein wesentliches Merkmal ist der Übergang von einem indirekten zu einem direkten Halbleiter, wenn sich die Zahl der atomaren Schichten im Material schrittweise bis zur Einzellage verringert. Darüber hinaus steigt die Exzitonen-Bindungsenergie um ein Vielfaches. Die daraus resultierende Physik von Elektronen und Löchern in zweidimensionalen Systemen kann hervorragend mittels Absorptionsmessungen untersucht werden. Der Übergang zu einem direkten Halbleiter für die Monolage resultiert in einem sprunghaften Anstieg der Photolumineszenz-Quantenausbeute, die im Experiment direkt nachweisbar ist. 

Ziel des Versuchs ist es, atomar dünne Halbleiter durch Abtrag einzelner Kristallschichten („mechanische Exfolierung“) im Experiment herzustellen. Danach wird ihr Exzitonen-Spektrum mittels hochaufgelöster Weißlichtspektroskopie und Photolumineszenz vermessen.

Dieser Versuch bietet den Studierenden die Möglichkeit, grundlegende optische Eigenschaften von atomar dünnen Halbleitern anhand ihrer experimentellen Signaturen kennenzulernen. Sie erlernen die Herstellung dieser neuartigen Materialien durch Exfolierung und können vertiefende Erfahrungen im Umgang optischen Versuchsaufbauten sammeln.

Stichworte: Halbleiter, TMDC, Exfolierung, Exzitonen, optische Spektroskopie

 Dr. Martin Esmann, Dr. Hangyon Shan, AG Quantenmaterialien

Organische Moleküle bestehen meist nur aus einer Hand voll unterschiedlicher Elemente. Im Kontrast dazu können ihre elektronischen und optischen Eigenschaften sehr vielfältig sein und der Austausch einzelner Atome oder funktioneller Gruppen kann große Änderungen ebendieser zur Folge haben. 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 atomare Anordnung im Molekül.

In diesem Praktikumsversuch wird man lernen, wie man die elektronische Struktur von organischen Molekülen 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. Grundkenntnis der Physik von Atome und Moleküle ist ein Plus. Dieser Praktikumsversuch kann auch online durchgeführt werden.

  Holger Saßnick, AG EST (» Versuchsanleitung)

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 atomare Anordnung der Materialien. In diesem Praktikumsversuch wird man lernen, wie man die elektronische Struktur von kristallinen Metallen und Halbleitern, berechnen und interpretieren kann. Zu diesem Zweck werden bekannte open-source 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. Grundkenntnis der Festkörperphysik ist ein Plus. Dieser Praktikumsversuch kann auch online durchgeführt werden.

 Stefan Velja, AG EST 

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, Siegfried Gündert; AG Acoustics (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

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."

Katrin Sasse, Jana Niedermeier; AG Med. Strahlenphysik (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Das Blockpraktikum findet jeweils direkt nach Ende der Vorlesungszeit des Wintersemesters statt (Ende Februar / Anfang März) und umfasst insgesamt 6 Versuchstage (entsprechend 3 Versuchen). Es vermittelt die Theorie und Praxis digitaler Signalverarbeitung in der Akustik und Audio-Signalverarbeitung anhand von Experimenten mit Computern und mit akustischen Signalen.

In der ersten Woche (5 Versuchstage) werden Grundlagen wie analoge und digitale Signale, AD/DA Wandlung, Spektralanalyse und diskrete Fouriertransformation, Faltung und Digitale Filter praktisch behandelt. Dazu wird vormittags ein Seminar durchgeführt, das die Theorie in der Diskussion mit den Teilnehmern und Teilnehmerinnen vermittelt. Nachmittags erfolgt die Vertiefung des Stoffs anhand von Experimenten auf dem Rechner.

Im Anschluss werden Projekte in Kleingruppen durchgeführt, die im morgendlichen Seminar vorgestellt werden (jeweils ein Versuchstag pro Gruppe). Mögliche Projektthemen sind Adaptive Filter, Analyse nichtstationärer Signale, Datenkompression in digitalen Systemen, Spracherkennung, Signalklassifikation, blinde Quellentrennung, Perzeptive Audiocodierung und weitere.

Gerald Enzner, Stephan Ewert, Jörn Anemüller, (Simon Doclo, AG SIGPROC (Fak. VI))  (» Versuchsanleitung)

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)