Versuchsbeschreibungen und Anleitungen

• Magneto-optische Falle
  Fallen für neutrale Atome sind als sehr wichtiges Experimentierfeld in der modernen Atomphysik und Quantenoptik etabliert und auch der Ausgangspunkt für viele quantenphysikalische Experimente. In ihnen können kalte atomare Gaswolken bei tiefsten Temperaturen von wenigen μK über Sekunden bis Minuten gespeichert werden. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, an nahezu ruhenden Atomen wichtige Fragestellungen der Atomphysik mit höchster Präzision zu untersuchen.

  Es wird ein moderner Versuch bereitgestellt, in dem die Kühlung und Speicherung von Atomen durch Lichtdruckkräfte diskutiert und exemplarisch Messungen mit und an kalten Rubidium-Atomen in einer MOT durchgeführt werden können, wie z.B. eine Temperaturmessung im µK-Bereich.

• Optische Bauelemente
  Dieser Versuch dient dazu, Sie mit den Methoden und Elementen der Optik vertraut zu machen. Insbesondere sollen Sie einige Grundbausteine optischer Experimentaufbauten, wie sie z.B. in der Atomphysik regelmäßig zu finden sind, kennenlernen.
  
  Sie werden aus Spiegeln, Linsen, lambda/2-Platten, Strahlteilerwürfeln, Resonatoren und einem elektro-optischen Modulator verschiedene kleinere Versuchsaufbauten planen, aufstellen und einjustieren. Der ausgehende Laserstrahl wird mithilfe von Polarisationsfiltern und Photodioden quantitativ untersucht.

• Optische Pinzette
  Optische Pinzetten sind mächtige Werkzeuge zur Mikromanipulation. Dabei wird ein stark fokussierter Laser benutzt, um mikroskopische Partikel zu fangen und gezielt zu bewegen. Arthur Ashkin, Nobelpreisträger der Physik von 2018, stellte diese Methode 1986 zum ersten Mal vor, wobei ein einzelner Laser benutzt wurde, um ein Partikel in fester Position zu halten. Mittlerweile ist die optische Pinzette angewandt für die Untersuchung der Bewegung molekularer Motoren, DNA-Stretching und Adhäsionsassays. In diesem Fortgeschrittenen Praktikum sollen die Studenten eine optische Einzelstrahl-Falle nutzen, um Teilchen in drei Dimensionen zu fixieren. Die Experimente beinhalten eine Charakterisierung einer Optischen Falle unter Verwendung der back-focal plane Interferometrie, um Verschiebungen von optisch gefangenen Partikeln auf Nanometer-Skala zu messen. Außerdem beinhaltet dieses Praktikum das Einfangen von bakteriellen Zellen und die Messung der Rotation ihrer Flagellen.

• Laserfluoreszenzspektroskopie
  Im Rahmen des Praktikumsversuches sollen verschiedene fluoreszenzemittierende Metallionen mittels zeitaufgelöster Laserfluoreszenzspektroskopie (TRLFS) untersucht werden. Dabei werden insbesondere die Lanthanid-Ionen Europium(III) und Gadolinium(III) (Eu³⁺ und Gd³⁺) und das Actinid-Ion UO₂²⁺ betrachtet. In den durchzuführenden Experimenten werden dabei Einblicke in die chemische Umgebung der Ionen erhalten, die fluoreszenzlöschenden Eigenschaften einiger Substanzen untersucht und die Temperatur einer Probe über die Intensitätsverhältnisse von Emissionsbanden bestimmt.

• Optische Informationsübertragung
  In drei Teilversuchen werden Sie verschiedene Aspekte der faseroptischen Informationsübertragung kennen lernen. Zunächst werden Sie verschiedene optischen Fasern miteinander verspleißen und anschließend mittels optischer Zeitbereichsreflektometrie untersuchen. In einem weiteren Versuch werden verschiedene Signalformen bei verschiedenen Betriebsspannungen des Modulators aufmoduliert. Anschließend wird mit einer Photodiode die Intensität des Lichts untersucht und mit dem aufmodulierten Signal verglichen. Außerdem wird ein Faser-Bragg-Gitter in eine Faser eingeschrieben und untersucht.

  Versuch_Optische_Informationsuebertragung-1.pdf

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• Helium Neon Laser
  In diesem Versuch werden Sie lernen, wie man einen Fabry-Perot-Resonator und einen He-Ne-Laser aufbaut und einjustiert. In den einzelnen Versuchsabschnitten werden Sie in diesem Aufbau mit den unterschiedlichen Aspekten optischer Resonatoren vertraut gemacht. Durch Verwendung unterschiedlicher Spiegel können beispielsweise die grundlegenden Resonator-Konfigurationen wie konfokale, planare oder konzentrische Resonatoren realisiert werden. Der Einfluss grundlegender Spiegeleigenschaften wie Krümmungsradius und Transmission auf die ausgekoppelte Leistung und Strahldivergenz soll untersucht werden. Außerdem können unterschiedliche transversale- und longitudinale Moden selektiert und aus dem Laser ausgekoppelt werden.

• Interferometrie im Weltraum
  In this experiment, you will configure and analyse Mach-Zehnder interferometers (MZI) based on heterodyne interferometry which is the technique adopted by some space interferometric missions like LISA. First, you will align one MZI with two acousto-optic modulators to shift a central frequency of each beam. Second, you will align one more MZI with the same beams. This second MZI includes a piezo mirror to change a path length by an order of micro meter. The mirror will be actuated by an unknown ‘gravitational wave signal’. Finally, making use of both interferometer signals, you will try to extract the path length change. In post-processing, you will analyse the signal also in frequency domain with fast Fourier transform.

• Mach-Zehnder-Interferometrie
  In diesem Versuch werden Sie mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers die Geschwindigkeit messen, mit der eine Wasseroberfläche durch Verdunstung absinkt. Zunächst werden Sie im Messstrahl einen Aufbau mit Schwimmspiegel justieren. Sie werden einen Regelkreis aufbauen, der die Spannung am Ausgang des Interferometers konstant hält. Dazu werden Sie die Effizienz des Piezo-Aktuators messen und das Fehlersignal der Photodiode kalibrieren, sodass die Verdunstungsgeschwindigkeit dem Aktuatorsignal entnommen werden kann. Anschließend werden Sie einen alternativen Aufbau im Messstrahl justieren, bei dem der Strahl durch ein Gefäß mit Wasser transmittiert wird.

• Jod-Spektroskopie
  In diesem Versuch werden Sie ein molekulares Absorptionsspektrum aufnehmen und auswerten. Sie werden zunächst atomare Übergangslinien benutzen, um einen Gittermonochromator zu kalibrieren. Mit diesem werden Sie eine breitbandige Lichtquelle vermessen, um dann eine Jod-Zelle in den Strahlengang zu stellen. Die fehlende Lichtintensität bei bestimmten Wellenlängen gibt Aufschluss über die Vibrationszustände des Moleküls I₂. Sie werden das Absorptionsspektrum benutzen, um spektroskopische Molekülparameter zu bestimmen. Außerdem werden Sie den Einfluss der Zellentemperatur auf das Spektrum untersuchen. Hiermit können Sie dann Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen verschiedenen Quantenzuständen vergleichen.  

  Anleitung_-_Iodabsorptionsspektroskopie.pdf

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• Rubidium Sättigungsspektroskopie mit Diodenlaser
  Das Ziel dieses Experimentes ist es die Dopplerbreite von Spektrallinien eines Gases mit der Methode der Sättigungsspektroskopie zu reduzieren. Als Lichtquelle dient eine Laserdiode mit einem externen Resonator, der aus einem Interferenzfilter und einem Katzenauge gebildet wird. Die Frequenz dieses Diodenlasers kann grob durch Änderung des Winkels, welchen die optische Achse mit dem Filter bildet, verstimmt werden. Die Feinabstimmung erfolgt durch Veränderung der Länge des externen Reonators mit einem Piezoelement. Um einen möglichst großen modensprungfreien Durchstimmbereich zu erreichen , wird synchron mit der Resonatorlänge auch der Strom durch die Laserdiode entsprechend verändert.

• Laser Plasma
  In diesem Versuch werden Sie einen gepulsten Laser vollständig charakterisieren und anschließend mit diesem ein Plasma erzeugen. Aus den ermittelten Laserparametern berechnen sie die Intensitäten im Fokus und bestimmen experimentell die Intensitätsschwelle zur Plasmaerzeugung. Diesen Versuch werden Sie mit verschiedenen unbekannten Gasen wiederholen, wozu Sie eine geeignete Vakuumkammer aufbauen. Sie werden das Emissionsspektrum des jeweiligen Plasmas mit einem Spektrometer aufnehmen und dazu benutzen, die unbekannten Gase zu bestimmen. Außerdem werden Sie den Einfluss der Intensität auf das Spektrum untersuchen. Mit diesen Daten können Sie dann auf die Temperatur des Plasmas und den Ionisationsgrad schließen.

• mode-locked Laser
  In this experiment you will learn theoretically and experimentally about Ultrafast Mode-locked laser. You will first get a fundamental laser concepts and then get familiar with our experiment setup. You are required to be proficient in laser resonator alignment and optimization. And then you will try to make the laser work in Continuous wave (CW) and Pulsed operation. During the work, you can characterize the laser in both CW and Pulsed operation. After that, you need to use this Ultrafast pulsed laser to generate the second harmonic with β-Barium-Borat-crystal (BBO). In the end, you will measure the pulse duration of your Ultrafast laser with autocorrelation method.