Für die Messung der Reflexion und Transmission von Proben und von Anregungsspektren ist Licht mit einem breiten Spektrum erforderlich. Im Unterschied zu Weißlichtlampen, wie sie z.B. im Versuch Ultraschnelle Photolumineszenz genutzt werden, tritt hier das Weißlicht aus einer Faser mit sehr kleinem Durchmesser aus. Dieses Weißlicht kann demnach sehr gut fokussiert und zur Untersuchung sehr kleiner Proben genutzt werden. Das Licht kann aber auch in eine Glasfaser eingekoppelt und dann zur Spektroskopie in einem Nahfeldmikroskop genutzt werden.

Behandelt werden: Erzeugung kurzer Pulse mittels eines Titan-Saphir-Lasers, Vorkompression der Laserpulse mittels zweier unterschiedlicher Prismenkompressoren, Bestimmung der Pulslängen in Abhängigkeit vom Material und des Prismenabstandes, Einkopplung der Lichtes in eine photonische Kristallfaser, um Weißlicht zu erzeugen, Bestimmung der spektralen Breite des Weißlichtes in Abhängigkeit von Intensität und Pulslänge.

Zusatz: Falls es die Zeit erlaubt, kann noch ein Gitterkompressor gebaut werden und evtl. das Weißlicht für eine spektroskopische Untersuchung genutzt werden.

Stichworte: Ultrakurze Laserimpulse (Titan-Saphir, Pulslänge 50 fs), Modelocking, Selbstfokussierung, Zeit-Bandbreitenbegrenzung, Bestimmung der Pulslänge: Autokorrelator, Dispersion, Prismenkompressor, photonische Kristallfaser, Selbstphasenmodulation.

Germann Hergert, AG UNO (04/21)  (» Versuchsanleitung)

Ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern von wenigen Femtosekunden finden mittlerweile eine breite Anwendung in Wissenschaft und Technik. Diese Laserpulse werden in der Regel in einem optischen Resonator mit Ti:Saphir als laseraktiven Medium erzeugt. Dabei sind eine hochgenaue Positionierung der optischen Komponenten sowie eine präzise Kontrolle der Dispersion der spektral breiten Laserpulse vonnöten. Die zahlreichen longitudinalen Moden des Resonators werden mittels der Technik der passiven Kerr-Linsen-Modenkopplung zueinander synchronisiert und formen so die ultrakurzen Laserpulse. Die Pulsdauer dieser Pulse wird mit einer Autokorrelationstechnik vermessen sowie die weiteren Charakteristika wie Pulsenergie und Strahldivergenz bestimmt.

Stichworte: Ultrakurze Laserimpulse , Modenkopplung, Dispersionskontrolle, Stabilitätskriterien eines optischen Resonators, Autokorrelation von Lichtimpulsen.

Sven Stephan, AG UNO (03/20) (» Versuchsanleitung)

Ziel des Experiments ist die optoelektronische Charakterisierung eines direkten (CIGS) und eines indirekten Halbleiters (Si), wie sie in Solarzellen zur Anwendung kommen. Die Untersuchungen werden mit konventioneller Photolumineszenz (PL) und einem konfokalen Lasermikroskop durchgeführt. Die relevante Messgröße ist der spektral aufgelöste Photonenfluss aus der Probe, im ersten Fall gemittelt über die gesamte Probenoberfläche, im zweiten vermessen mit sub-µm Ortsauflösung. Unter Verwendung des verallgemeinerten Planck‘schen Strahlungsgesetzes werden daraus wesentliche Kenngrößen des Halbleiters ermittelt, wie die optische Bandlücke und die Aufspaltung des Quasi-Ferminiveaus unter Beleuchtung. Temperaturabhängige Messungen liefern Aussagen zur Natur der Bandlücke (direkt/indirekt) und zum Einfluss von Defekten auf die optischen Eigenschaften der Probe. Eine Detektion der Photonenausbeute als Funktion der Bestrahlungsintensität gibt zusätzliche Hinweise auf das Rekombinationsverhalten der Elektron-Loch-Paare.

Durch den Vergleich globaler und ortsaufgelöster PL-Messungen werden räumliche Inhomogenitäten im Probenmaterial dem Experiment zugänglich. Solche Variationen spiegeln die polykristalline Natur vieler komplexer Halbleiter wider, die häufig aus (1-100) µm großen Körnern unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und Orientierung bestehen. Die Varianz in den optoelektronischen Parametern wird mit Hilfe zweidimensionaler Photonen-Karten bestimmt. Eine statistische Auswertung solcher Karten erlaubt den direkten Vergleich mit den Ergebnissen der makroskopischen PL-Messungen. Die im Versuch gewonnenen Resultate bilden die Grundlage für eine Diskussion zur Eignung verschiedener Halbleiter als Ausgangsmaterial für effiziente Solarzellen.

Jürgen Gorobez, AG RASPE (03/20) (» Versuchsanleitung)

Mit diesem, sich im Aufbau befindenden Experiment, können die Studentinnen und Studenten ein Teilgebiet der Fourieroptik kennenlernen. Dies geschieht unter Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators dessen Flüssigkristalle, im Zusammenspiel mit verschiedenen Diodenlasern, eine vielfältige Anwendung erlauben. Ein Teil dieser Anwendungen besteht darin lineare und separable binäre Strahlengitter, sowie computergenerierte Hologramme zu erzeugen und diese zu untersuchen. Dabei wird vermittelt, wie mit Hilfe einer Linse die Fourier-Transformation stattfindet. Des Weiteren können mit der verwendeten Software verschiedene diffraktive optische Elemente erzeugt werden, die dann wiederum in der Fourierebene einer Linse rekonstruiert und untersucht werden können. Außerdem wird die Erzeugung von optischen Vortizes demonstriert, wobei hier neben dem Polarisationszustand auch der Bahndrehimpuls und die topologische Ladung relevant wird.

Dieser Praktikumsversuch biete den Studierenden die Möglichkeit die Grundlagen der geometrischen Optik und der Wellenoptik anzuwenden und durch verschiedene Experimente zu vertiefen. Zudem wird mit der Fourieroptik ein moderner und sehr interessanter Bereich der Optik mit Hilfe zahlreicher Experimente näher kennengerlernt.

Stichworte: Fourier-Optik, Licht als Welle, Beugung, 4f-Aufbau, optische Fourier-Transformation, Polarisationszustand, Flüssigkristallmodulatoren, Phasen- und Amplitudenmodulation, diffraktive optische Elemente, computergenerierte Hologramme, optische Vortizes

Dr. Lars Englert,  AG ULTRA (04/18)  (» Versuchsanleitung)

Virtuelles Femto-Labor Teil 1: Geformte ultrakurze Laserpulse

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.

Virtuelles Femto-Labor Teil 2: Ultraschnelle Quantendynamik

(Voraussetzung: Teilnahme zuvor am FPR-Versuch „Virtuelles Femto-Labor Teil 1: Geformte ultrakurze Laserpulse“)

Der zweite Teil der Versuchsreihe „Virtuelles Femto-Labor“ widmet sich der Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse (s. Virtuelles Femto-Labor Teil 1) mit einfachen Bausteinen der Materie. In zwei Simulationsmodulen werden die Interaktion geformter Femtosekunden-Laserpulse mit atomaren und molekularen Quantensysteme behandelt und dabei die Grundlagen der quantenmechanischen Beschreibung von Licht-Materie-Wechselwirkung erarbeitet. Die theoretischen Methoden werden mit Hilfe vorhandener Simulationsprogramme auf verschiedene Anregungsszenarien angewendet. Neben Beispielen aus der Spektroskopie liegt der Schwerpunkt des Versuchs auf der kohärenten Kontrolle ultraschneller Dynamiken in maßgeschneiderten Femtosekunden-Laserfeldern. Das erste Modul konzentriert sich dabei auf die physikalischen Mechanismen zur Kontrolle elektronsicher Wellenpakete in Atomen. Darauf aufbauend wird im zweiten Modul die vibronische Anregung und gezielte Steuerung von Schwingungswellenpaketen in Molekülen untersucht.

Stichworte:

Atome: Schrödinger-Gleichung, Einstein-Koeffizienten, Spektrallinien (Verbreiterungsmechanismen), Fermi’s Goldene Regel, Rabi-Oszillationen, Rapid Adiabatic Passage, Stimulated Raman Adiabatic Passage, Photon Locking.
Moleküle: Harmonischer Oszillator (quantenmechanisch), Wellenpaketdynamik, Born-Oppenheimer-Näherung, Franck-Condon-Prinzip, Pump-Probe-Verfahren, Tannor-Kosloff-Rice Schema

Dr. Tim Bayer, AG ULTRA (04/21) (» Versuchsanleitung)

In diesem Versuch wird der Phasenübergang eines kombinatorischen Optimierungsproblems mit Hilfe von Simulationen untersucht. Ähnlich wie beim Phasenübergang eines Magneten, der vom paramagnetischen in den ferromagnetischen Zustand übergeht, kann man einen solchen Übergang auch bei Optimierungsproblemen finden. Hier soll das Knotenüberdeckungsproblem (Vertex-Cover-Problem) betrachtet werden, bei dem ein Übergang von leicht- zu schwer-lösbar stattfindet. Im Gegensatz zu den üblichen Algorithmen, die dieses Problem lösen, kommt hier lineare Programmierung zum Einsatz. Diese Art der Optimierung wird häufig in der Industrie, z.B. für die Produktionsplanung verwendet.

Der Versuch vermittelt ein grundlegendes Verständnis für den Phasenübergang des Vertex-Cover-Problems und zeigt Möglichkeiten auf, diesen mit Methoden aus der statistischen Physik zu untersuchen. Neben der Bestimmung des kritischen Punktes, an dem der Phasenübergang stattfindet, sowie Untersuchungen zur Laufzeit der Algorithmen, wird das Phasendiagramm untersucht. Anhand von Beispielen wird die Funktionsweise der einzelnen Algorithmen erläutert und in verschiedenen Modulen werden dann die Simulationen durchgeführt. Zunächst kommt der "reine" Simplex-Algorithmus zur Lösung des linearen Programmierproblems zum Einsatz. Im Verlauf des Versuchs wird dieser dann um eine Heuristik, sowie um Schnittebenen (Cutting-Planes) erweitert, um aussagekräftigere Lösungen zu finden.

Stichworte: Phasenübergänge, kombinatorische Optimierungsprobleme, Vertex-Cover-Problem, Erdős-Rényi-Zufallsgraphen, lineare Programmierung, Simplex-Algorithmus, Cutting-Planes.

Peter Werner, AG CompPhys (03/20) (» Versuchsanleitung)

Durch technische Fortschritte und Kostenreduktion hat sich die Photovoltaik-Technologie zu einer der meist genutzten regenerativen Energietechniken entwickelt. Zur elektrischen Energieerzeugung ist eine möglichst effektive Nutzung der Solarstrahlung notwendig. Jedoch unterliegt diese Energiequelle starken Schwankungen durch den Tag-Nachtzyklus und die auftretende Bewölkung, somit ist der Photovoltaikertrag stark wetterabhängig.

Im Experiment wird der Einfluss verschiedener meteorologischer Parameter auf die elektrische Leistung eines Photovoltaik-Moduls untersucht. Dabei wird ein Verständnis erarbeitet, wie die meteorologischen Bedingungen sich auf die "Performance" der Photovoltaik auswirken.

Zunächst wird eine meteorologische Low-Budget-Messstation aufgebaut und zum Loggen von Minutenwerten der Einstrahlung, der Temperatur, der relativen Luftfeuchte und des Luftdrucks konfiguriert. Parallel dazu werden Strom, Spannung, Leistung und Modultemperatur  eines ebenfalls auf dem Dach installierten PV-Moduls erfasst.

Die während einer Woche aufgenommenen Daten werden im Hinblick auf Fehler analysiert und mit Werten einer am Standort befindlichen Referenzstation verglichen, um die Genauigkeit der Daten zu überprüfen. In einem weiteren Schritt wird die Leistung des PV-Moduls im betrachteten Zeitraum analysiert. Dazu werden die meteorologischen Messungen als Eingangsgrößen für eine PV-Leistungs-Modellierung genutzt (PV-Modelling Toolbox der PV Performance Modelling Cooperative).

Einen Zwischenschritt der Modellierung bildet die Umrechnung der üblicherweise horizontal gemessenen Einstrahlung auf die geneigte Modulfläche. Dazu werden Modelle aus der Literatur herangezogen, und deren Genauigkeit mit Hilfe der Messwerte analysiert, z.B. im Falle idealer, wolkenfreier Bedingungen.

Abschließend wird ein Vergleich der modellierten und gemessenen PV-Leistung durchgeführt. Dabei wird der Einfluss der meteorologischen Parameter auf die "PV Performance" betrachtet.

Zeiträume: werden noch bekanntgegeben

Jonas Stührenberg, DLR (03/22) (» Versuchsanleitung)

Ellipsometry measures the change in polarization state of light typically reflected from a sample to investigate its dielectric response function. It derives its sensitivity from detecting the ratio of Fresnel reflection coefficients, which as a complex number also contains information on the relative phase change of the light beam. Standard ellipsometry is commonly used to determine the layer thickness of thin films and the optical constants of both thin and bulk materials. It never directly measures thickness or optical constants but requires modeling and fitting of the acquired data. During this virtual exercise you will receive measured ellipsometric data from samples such as wafers with thermal oxide coating and thick gold layers. You will perform fitting of these data to obtain layer thicknesses and complex refractive indices for the sample data with a vendor provided software via remote access. For deeper understanding you will build your own optical models to calculate reflection spectra and ellipsometric data based on your fit results.

Teaching Language: English or German

Keyword: Ellipsometry

Apl.-Prof. Dr. Manuela Schiek, manuela.schiek@uol.de (03/21) 

Moderne Methoden der Transmissions-Elektronenmikroskopie erlauben einen umfassenden Einblick in die Struktur und Eigenschaften nanoskaliger Systeme. Besonders sensitive Techniken, wie zum Beispiel die Phasenkontrastabbildung oder die Elektronenholographie, nutzen hierbei die räumliche Phasenstruktur des Elektronenstrahls aus, welche empfindlich auf magnetische und elektrische Felder reagiert. Eine neue Entwicklung in diesem Feld ist die Verwendung von Elektronenwellenfunktionen, deren Phasenflächen eine Helixstruktur aufweisen- sogenannten Elektronenvortices (Verbeeck et al., Nature 467, 301–304 (2010)).
Das Ziel dieses Experimentes ist, Elektronenvortices im Mikroskop zu erzeugen und deren Eigenschaften zu untersuchen.

Der Versuch beinhaltet:

• Herstellung von nanostrukturierten Masken mithilfe fokussierter Ionenstrahlen
• Entwicklung eines MatlabProgramms zur Simulation der Elektronenbeugung an diesen Masken
• Erzeugung und Abbildung von Elektronenvortices im Elektronenmikroskop
• Matlab-Bildanalyse zur quantitativen Charakterisierung der erzeugten Elektronenvortices

Stichworte: Aufbau eines Transmissions-Elektronenmikroskops (Elektronenquellen, magnetisches Linsensystem eines Elektronenmikroskops, Elektronendetektoren), Wechselwirkung von Elektronenstrahlen mit Materie, Fresnel-Beugung, räumliche und zeitliche Kohärenz von Wellen, Elektronenholographie, Strahlmoden, Grundlagen der Nanostrukturierung mit fokussierten Ionenstrahlen.

Empfohlene Vorkenntnisse:

• Kenntnisse in Matlab
• Kurse in Photonik oder Elektronenmikroskopie

Das Praktikum findet an 15 Terminen statt (5 Gruppen mit je 3 Terminen).

1. Termin: Theoretische Einführung
2. Termin: FIB (Focussed Ion Beam)
3. Termin: TEM (Transmissionselektronenmikroskopie)

Folgende Termine stehen dabei für das SoSe 2022 fest:

Gruppe 1: 29.08 / 30.08 / 31.08; Gruppe 2: 05.09 /06.09 / 07.09; Gruppe 3: 12.09 / 13.09 / 14.09

Gruppe 4: 19.09 /20.09 / 21.09; Gruppe 5: 26.09 / 27.09 / 28.09;

Dr. V. Solovyeva, AG UND (04/22) (» Versuchsanleitung)

Die Strömungseigenschaften des Nachlaufs von Windenergieanlagen hängen unter anderem von dem erzeugten Schub der Anlage ab. Für experimentelle Untersuchungen im fernen Nachlauf von Windenergieanlagen wird daher häufig auf nicht rotierende Aktuatorscheiben zurückgegriffen, die einen vergleichbaren Schub erzeugen. In diesem Experiment sollen die Nachläufe von Aktuatorscheiben unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen Versperrungen mithilfe von Hitzdrahtanemometrie vermessen und charakterisiert werden. Darüber hinaus wird eine Vergleichsmessung mit der in Oldenburg entwickelten Modell Windenergieanlage „MoWiTO 0.6“ gemacht.

English version:

The flow characteristics in the wake of wind energy converters depend, among other things, on the thrust generated by the turbine. Therefore, for experimental investigations in the far wake of a turbine often actuator discs that generate comparable thrust are used. In this experiment the wakes of actuator discs of different size and blockage will be measured and characterized using hot-wire anemometry. Moreover, a comparison measurement with the Model Wind Turbine ‘MoWiTO 0.6’ that was developed in Oldenburg will be done.

Luuk Sengers, ForWind, AG EnMet (03/19)  (» Versuchsanleitung)

Turbulente Flüsse sind maßgeblich für den Transport von Impuls, Wärme oder Spurengasen innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht verantwortlich. So tragen beispielsweise Divergenzen des Stroms fühlbarer Wärme zu einer Erwärmung oder Abkühlung von Luftschichten innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht bei. Das Vertikalprofil des turbulenten Flusses eines Spurengases bestimmt, ob es in einer Luftschicht zu einer Anreicherung oder zu einem Abbau der Konzentration des Spurengases kommt. Die präzise Erfassung der Austauschflüsse an der Grenzfläche zwischen Erde und Atmosphäre ist für das Verständnis der Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht entscheidend. Da die turbulenten Flüsse auch maßgeblich die Strömungseigenschaften in der Grenzschicht beeinflussen, ist Ihre Kenntnis auch für die Windenergie von Bedeutung.

Bodennahe turbulente Energieflüsse, also die Energieumsätze in den untersten Metern der Atmosphäre, sind ein großer Unsicherheitsfaktor in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen. Wettervorhersage- und Klimamodelle können jedoch aufgrund ihrer zu groben räumlichen und zeitlichen Auflösung die bodennahe Mikroturbulenz nicht explizit auflösen. In den Modellen werden die bodennahen Flüsse daher parametrisiert, d.h. aus anderen vom Modell aufgelösten Größen abgeleitet. Die Parametrisierungen müssen hinsichtlich ihrer Gültig- und Genauigkeit jedoch überprüft und nötigenfalls angepasst werden. Die Daten zur Validierung der Parametrisierungen liefern hochaufgelöste Messungen der bodennahen turbulenten Flüsse.

Um die bodennahen turbulenten Flüsse zu bestimmen, kommt in der Mikrometeorologie häufig das Verfahren der Eddy-Kovarianz-Messung zum Einsatz. Hier werden die turbulenten Flüsse direkt gemessen. Dazu werden mit hoher Messfrequenz Informationen über die Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur sowie die Konzentrationen von Wasserdampf und weiteren Spurengasen am selben Ort erfasst.

Für die Eddy-Kovarianz-Messungen werden Ultraschallanemometer und Infrarotgasanalysatoren verwendet. Die Eddy-Kovarianz-Methode stellt einige Anforderungen an die Messungen. Sind diese nicht erfüllt, so bedürfen die erhobenen Daten der Anwendung umfangreicher Korrekturmethoden, bevor sie weitere Verwendung finden können. So muss beispielsweise eine Rotation des Koordinatensystems durchgeführt werden, um fehlerhafte Zuordnungen zu den Geschwindigkeitskomponenten aufgrund einer Fehlausrichtung des Ultraschallanemometers erkennen und korrigieren zu können. Weitere Korrekturen sind zum Beispiel aufgrund des begrenzten Frequenzspektrums, in dem Fluktuationen durch die Sensoren erfasst werden können, notwendig.

Ziel des Praktikumsversuchs ist die Durchführung und Auswertung von Eddy-Kovarianz-Messungen mit einem Sensor vom Typ IRGASON im Feld. Dabei werden die Praktikumsteilnehmer mit den Standards zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle von Eddy-Kovarianz-Messungen vertraut gemacht werden. So ist zur Sicherung der Qualität der Messungen z.B. zunächst die Eignung des Messstandorts zu überprüfen. Hierzu soll z.B. überprüft werden, welche Unterlagen in der Umgebung des Messortes die turbulenten Flüsse tatsächlich beeinflussen (sogenannte Footprint-Analyse).  Die Praktikumsteilnehmer werden auch einen Einblick in das Arbeiten mit typischen, in der Meteorologie zur Steuerung von Messungen und die Aufnahme von Messdaten verwendeten, Datenloggern erhalten. Die aufgenommenen Rohdaten müssen Korrekturverfahren unterworfen werden. Der Code für die Anwendung der Korrekturverfahren ist teilweise von den Praktikumsteilnehmern zu entwickeln.  Die erhaltenen Ergebnisse sollen mit Ergebnissen verglichen werden, die mit Hilfe der frei verfügbaren Eddy-Kovarianz-Postprocessing-Software TK3 erhalten werden können. Diese Software soll auch dazu eingesetzt werden, um systematisch die Einflüsse der verschiedenen Fehler auf die turbulenten Austauschflüsse zu untersuchen.

Hinweis:

Der Versuch wird im Sommersemester 2022 nur als reiner Online-Versuch im Rahmen eines Blockpraktikums in der vorlesungsfreien Zeit angeboten.

Termine:

Gruppe 1: 28.07.22 / 29.07.22 / 01.08.22

Gruppe 2: 04.08.22 / 05.08.22 / 08.08.22

Gruppe 3: 22.09.22 / 23.09.22 / 26.09.22

Gruppe 4: 29.09.22 / 30.09.22 / 04.10.22

Stichworte: Eddy-Kovarianz-Messung, Ultraschallanemometer, Infrarotgasanalysator, atmosphärische Grenzschicht, atmosphärische Turbulenz, Datenlogger

Luuk Sengers, ForWind, AG EnMet (03/19)  (» Versuchsanleitung)

Die meisten Windenergieanlagen speisen ihre elektrische Energie in das Verbundnetz ein, welches drei Phasen und einer weitgehend konstanten Frequenz von 50-Hz aufweist. Bei den großen und effizienten Windenergieanlagen der neueren Generationen sind hierfür bestimmte Generatorkonzepte erforderlich, bei denen Frequenzumrichter zum Einsatz kommen. Im Rahmen dieses Praktikums sollen diese Konzepte zunächst in ihrer Funktion verstanden und physikalisch vermessen werden. Ein weiterer Teil des Praktikums zielt auf hochaktuelle Fragestellungen der Netzanbindung Erneuerbarer Energien ab: Da der Anteil der Windenergie in vielen Regionen der Erde mittlerweile sehr hoch ist, dürfen die Anlagen die Netzstabilität nicht gefährden. Des Weiteren muss die Qualität des Stromes bezüglich Frequenz- und Spannungsschwankungen auch bei hohem Windstromanteil erhalten bleiben sowie die Belastung des Netzes durch Blindleistung kontrolliert werden. Im Falle eines Kurzschlusses oder Spannungseinbruches dürfen die Windenergieanlagen die Stabilität des Netzes nicht dadurch gefährden, dass sie sich vom Netz abkoppeln. Zugleich dürfen sie Anlagen selbst durch solche Vorkommnisse nicht gefährdet werden. Im Rahmen dieses Praktikums werden an einem Versuchsstand mit einem Generator mit Frequenzumrichter und Netzanbindung verschiedene Situationen realistisch dargestellt und dabei Frequenz- Spannungs- und Stromverläufe sowie Leistungsflüsse vermessen. Durch Auswertungen sollen die Effekte und mögliche regelungstechnische Kompensationsmaßnahmen genauer verstanden werden.

Stichworte: Erneuerbare Energien, Netzstabilität, Blindleistungsversorgung, Frequenzstabilität, Generatorkonzepte von Windenergieanlagen

English version:

Most of the existing wind turbines feed their electrical energy into the interconnected grid, which has three phases and a largely constant frequency of 50 Hz. For the large and efficient wind turbines of the newer generations, certain generator concepts are required for this, in which frequency converters are used. Within the framework of this practical course, these concepts will first be understood in their function and physically measured. A further part of the practical course is aimed at highly topical questions of the grid connection of renewable energies: Since the share of wind energy is now very high in many regions of the world, the turbines must not endanger grid stability. Furthermore, the quality of the electricity with regard to frequency and voltage fluctuations must be maintained even with a high proportion of wind power, and the load on the grid caused by reactive power must be controlled. In the event of a short circuit or voltage dip, the wind turbines must not endanger the stability of the grid by decoupling themselves from the grid. At the same time, they must not themselves be endangered by such incidents. Within the framework of this practical course, various situations are realistically performed on a test stand with a generator with frequency converter and grid connection. Frequency, voltage and current curves as well as power flows are measured. The effects and possible control compensation measures are to be understood more precisely by means of evaluations.

Keywords: renewable energies, grid stability, reactive power supply, frequency stability, generator concepts of wind turbines.

Andreas Schmidt, AG We-Sys (03/19)  (» Versuchsanleitung)

Die Optimierung des Designs von Maschinen und Gebäuden erfordert in zunehmenden Maße die genauere Abstimmung von Systemfunktion zu Systemstruktur. Hierzu ist zunächst die Charakterisierung des dynamischen Systemverhaltens erforderlich.

In dem Versuch sollen die strukturdynamischen Eigenschaften eines Rotorblattes einer Windenergieanlage untersucht werden. Hierbei wird das System als schwingfähige Einheit mit seinen Parametern Abmessungen, Masse, Dämpfung und Steifigkeit betrachtet. Die im Praktikum eingesetzten Mess- und Auswertemethoden werden generell in vielen Bereichen der Physik, des Bauwesens und der Industrie genutzt.

Zunächst wird ein eindimensionaler Versuch mit einem einfachen Biegebalken aufgebaut. Die modalen Parameter des Systems werden mit den Methoden der experimentellen Modalanalyse als Korrelation von dynamischer Anregung zur Systemantwort bestimmt. Eingesetzt wird der modale Hammer und eindimensionale Beschleunigungsaufnehmer. Die Auswertung der Versuche führt zu einem Systemmodell, welches das reale System hinreichend genau abbilden soll.

Im nächsten Schritt wird der Hammerimpuls durch eine periodische und stochastische Anregung mittels modalem Shaker ersetzt.

In einem dritten Schritt wird ein 6 m langes Rotorblatt einer Windenergieanlage mit 20 mehrdimensionalen Beschleunigungssensoren ausgerüstet. Die Systemreaktion ist hierbei mehrdimensional in ein Modell zu übertragen und mit der gemessenen Systemantwort zu vergleichen.

Es werden Fähigkeiten zur Versuchsplanung, Kalibrierung, Applikation, Messwerterfassung, Fehlerbetrachtung und Auswertung im modalen Experiment erarbeitet.

Das Praktikum findet an 18 Terminen im Sommersemester 2021 statt. Je nach persönlicher Absprache mit den Studierenden werden die Versuche freitags während der Vorlesungszeit oder auch als mehrtätiges Blockpraktikum in der vorlesungsfreien Zeit angeboten
Es sind insgesamt bis max. 12 Studierende beteiligt, die in Zweiergruppen arbeiten. Jede Zweiergruppe hat drei Versuchstage zu absolvieren.

Praktikumszeit:  Jeweils von 8-12 Uhr.

Stichworte:
Experimentelle Modalanalyse, IEPE-/MEMS- Beschleunigungsaufnehmer, modaler Hammer, Shaker, Übertragungsfunktion, SDOF-/MDOF Modell, Stabilisierungsdiagramm, Periodogramm

Suryans Chamoli, AG WE-Sys (04/18)  (» Versuchsanleitung)

Für Messungen in turbulenten Strömungen sind zeitlich und räumlich hoch auflösende Sensoren erforderlich. Eine Standardmethode hierfür stellt die Hitzdraht-Anemometrie dar. Grundlage für diese Technik ist die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Drahtes von der Temperatur bzw. der geschwindigkeitsabhängigen Kühlung durch das bewegte Medium. Behandelt werden: Der Bau von Hitzdrahtanemometern auf der Basis eines 8 cm langen Heizdrahtes sowie einer Fahrradglühlampe. Diese Anemometer werden in unterschiedlichen Betriebsmodi charakterisiert und mit kommerziellen Hitzdrahtanemometern verglichen. Hierfür werden Messungen im Nachlauf eines Zylinders durchgeführt und hinsichtlich ihrer turbulenten Eigenschaften untersucht. Stichworte: Hitzdraht-Anemometrie mit konstant Strom und konstant Temperatur Methode, Wheatstonesche Messbrücke, Prandtl-Rohr, Karmansche Wirbelstraße, Zylindernachlauf, Strouhal-Zahl Michael Hölling, AG TWIST (03/12)  (» Versuchsanleitung)

Exkursion zum Observatoire de la Côte d'Azur, C2PU

Gemeinsam mit der Veranstaltung: Vertiefende Beobachtungstechniken der Astrophysik (5.04.4644)

Die sechstägige Exkursion zum Sternwartenzentrum C2PU (c2pu.oca.eu) findet in der vorlesungsfreien Zeit im Spätsommer statt. Der genaue Zeitraum richtet sich nach den Neumondphasen. Das C2PU liegt nördlich von Nizza in den französischen Alpen. Vor Ort stehen zwei Teleskope mit jeweils einem Meter Spiegeldurchmesser für diverse astronomische Messungen zur Verfügung. Es sollen die Techniken der Astrometrie, Photometrie, Spektroskopie, sowie der Astrophotographie erlernt oder vertieft werden. Im Rahmen dieses Praktikumsversuchs sollen Asteroiden aufgespürt, Helligkeitskurven von veränderlichen Sternen vermessen, Exoplaneten nachgewiesen, und mit Hilfe von spektroskopischen Untersuchungen die (Rotations-) Geschwindigkeiten von Himmelskörpern bestimmt werden. Der Exkursion voran steht ein vorbereitendes Seminar, das von allen Teilnehmern besucht wird. Im Rahmen dieses Seminars werden die Beobachtungskampagnen geplant und die notwendigen Beobachtungs- und Auswertungstechniken eingeführt. Das Seminar findet innerhalb der letzten vier Wochen vor der Exkursion statt und hat eine Dauer von vier Tagen.

Wichtige Hinweise: Die Teilnehmerzahl ist auf 8 Personen limitiert. Bei einer Teilnahme an dieser Veranstaltung fallen Kosten an. Für Unterkunft und Verpflegung ist mit pauschal max. 110 Euro zu rechnen. Zuzüglich sind Reisekosten zu decken. Die Übernahme der Kosten durch Universitätsmittel wird jährlich neu beantragt und kann daher nicht garantiert werden. Für die Teilnahme an diesem Praktikumsversuch können zusätzlich 3 KP im Vertiefungsmodul angerechnet werden.

Zeitraum: wird noch bekanntgegeben

Alternativ: Remote-Beobachtungen 

Anstelle der Exkursion ist es auch möglich an einer Remote-Beobachtungssession teilzunehmen. Diese findet nachts am Campus Wechloy statt. Über eine Remote-Verbindung kann ein Teleskop des C2PU gesteuert werden. Zusätzlich wird das Teleskop der Universitätssternwarte verwendet. Der Versuch erstreckt sich ebenfalls über fünf Nächte und es werden dieselben Techniken der Astrophysik erlernt wie bei der Exkursion. Das Vorbereitungsseminar ist zur Beobachtungsplanung ebenfalls notwendig, wofür 3 KP im Vertiefungsmodul angerechnet werden können.  

Philipp Huke, Athleen Rietze, Matti Gehlen, AG Med. Strahlenphysik (03/22)  (» 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 atomaren Anordnung der Materialien.

In diesem Praktikumsversuch werden komplexe Systeme, wie Kristalloberflächen oder Punktdefekte in Kristallen, studiert.
Die Studierenden lernen, wie Defekte und Oberflächen theoretisch modelliert und ihre elektronischen Eigenschaften analysiert werden können.
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.

H.-D. Saßnick AG EST (03/21) (» Versuchsanleitung)

Das Blockpraktikum Psychophysik, Neurosensorik und auditorische Signalverarbeitung gibt einen Einblick in aktuelle Fragestellungen und Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Anwendung von physikalischen Methoden zur Erforschung der Verarbeitung von sensorischen Reizen. Das Praktikum findet jeweils über einen Zeitraum von sechs Versuchstagen statt. Es entspricht einem Versuch im FPR-M plus Anerkennung von 3 Kreditpunkten im Rahmen der Vertiefungsmodule I oder II. Die Projektarbeit umfasst die selbständige Erarbeitung der Theorie, Planung und Durchführung der Experimente sowie die Vorstellung des eigenen Themas im begleitenden Seminar.

Das Schwerpunktthema des Praktikums ist das menschliche Gehör. Dabei wird ein Einblick gegeben in die physikalischen und physiologischen Grundlagen sowie in die erforderlichen Grundlagen und Methoden der Signalverarbeitung. Jede Gruppe führt ein forschungsnahes eigenes kleines Projekt durch, in dem mit unterschiedlichen Methoden jeweils eine aktuelle Fragestellung bearbeitet wird. Mögliche Themen sind Pathologie und Diagnostik des Hörens, absolute und differentielle Wahrnehmung von Schall, Maskierung, Signalentdeckungstheorie, Binaurales Hören sowie Sprachverständlichkeit. Die verwendeten Methoden umfassen psychoakustische Experimente, akustisch evozierte Potentiale, otoakustische Emissionen und funktionelle Magnetresonanztomographie.

Zeitraum: Feb/März (bitte gesonderte Anmeldung direkt an Herrn Uppenkamp)

Stichworte: Akustik, Neurosensorik, Signalverarbeitung, Elektroencephalographie, Magnetresonanztomographie, Signalentdeckungstheorie

Stefan Uppenkamp, AG MEDI (03/12)  (» Versuchsanleitung)

Ziel des Versuchs ist es, atomar dünne Halbleiter durch Abtrag einzelner Kristallschichten („Exfolierung“) selbst herzustellen und ihr Exzitonen-Spektrum bei tiefen Temperaturen mittels hochaufgelöster Spektroskopie zu vermessen.

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 Exziton-Bindungsenergie um ein Vielfaches:

Die daraus resultierende Physik von Elektronen und Löchern in zweidimensionalen Systemen kann hervorragend mittels Photolumineszenz- und Absorptionsmessungen bei tiefen Temperaturen (77 Kelvin Flüssig-Stickstoff Kryostat) untersucht werden. Anhand der Absorption des Exziton-Grundzustands (1s) und des ersten angeregten Exziton-Zustands (2s) lässt sich die Stärke des exzitonischen Einschlusspotentials bestimmen. Auch höhere Rydberg-Zustände des Exzitons kann man auf die gleiche Weise beobachten.

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 erste Erfahrungen im Umgang mit Vakuum- und Tieftemperatur-Technologie sammeln.

Geplanter Zeitraum für das Blockpraktikum: 25.07.22 - 12.08.22

Stichworte: Halbleiter, TMDC, Exfolierung, Rydberg-Excitonen, Photolumineszenz, tiefe Temperaturen

Martin Esman, Hangyong Shan, AG QMAT (04/22)  (» Versuchsanleitung)