Physik-Praktika

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.

Virtuelles Femtolabor

Ultrakurze Laserpulse mit Dauern im Femto- bis Attosekundenbereich  bilden die Grundlage zur direkten Beobachtung ultraschneller molekularer Prozesse auf ihren intrinsischen Zeitskalen. Durch das gezielte Maßschneidern von Femtosekunden-Laserpulsen in Amplitude, Phase und Polarisation gelingt es außerdem schnelle Laser-induzierte Prozesse, wie der elektronischen Anregung von Atomen, dem räumlichen Ausrichten von Molekülen oder dem gezielten Aufbrechen molekularer Bindungen, effizient zu steuern.

Der Versuch vermittelt in drei Simulationsmodulen die Grundlagen ultraschneller Lasertechniken und führt dabei in die theoretische Beschreibung von Femtosekunden-Laserpulsen ein. Das erste Modul widmet sich der Erzeugung solcher Pulse in einem typischen Ti:Sa Femtosekunden-Oszillator. Im zweiten Modul werden die Laserpulse spektral phasenmoduliert und so die Funktionsweise eines Fourier-Transformationspulsformers erarbeitet. Das dritte Modul dient der Vermessung der geformten Laserpulse mit Hilfe verschiedener Charakterisierungsverfahren, wie der Autokorrelation, der spektralen Interferenz oder Spektrogramm-basierten Methoden (FROG).

Ziel des Versuches ist es, anhand speziell darauf ausgelegter Simulationsprogramme grundlegende Kenntnisse über ultraschnelle Lasertechniken zu gewinnen und eine ‚Intuition‘ für die Anwendung von Fourier-Techniken zu erlangen. Außerdem werden Grundlagen aus der Elektrodynamik bzw. linearen Optik vertieft und Einblicke in die nicht-lineare Optik vermittelt.

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.

Christoph Möller, 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.

Abbas Chimeh, 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, Lars Kröger 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, Tom Wester, 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.

Andreas Schönfeld, Björn Poppe, AG Med. Strahlenphysik (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Hochauflösende Mikroskopie

Am optischen Mikroskop werden Grundbegriffe der Mikroskopie erarbeitet (numerische Apertur, Auflösungsvermögen, Schärfentiefe, Linsenfehler). Am Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) lernen Sie die deutlich weitergehenden Möglichkeiten dieses Instruments (Strahlformung, Wechselwirkung von Elektronen mit Materie) kennen. Dabei verwenden Sie neben den klassischen REM-Detektoren (Szintillations- und Silizium-Dioden-Detektor für Sekundär- bzw. Rückstreuelektronen) auch die Röntgen-Mikrostruktur-Analyse (energy dispersive X-ray spectrometry [EDX]; Bremsstrahlung, charakteristische Röntgenstrahlung). Das Raster-Kraft-Mikroskop (atomic force microscope [AFM]; kurz- und langreichweitige atomare Kräfte, Kraft-Abstands-Kurve, contact mode) vermittelt einen Einblick in das weite Feld der Raster-Sonden-Mikroskopie.

  Atef Zekri, AG EHF  (» Versuchsanleitung)

Maxwellscher Dämon

Die provokante Bezeichnung des Experiments stammt von einem Gedankenexperiment von James Clerk Maxwell. Mit diesem Gedankenexperiment beschreibt er 1871 einen Behälter, der durch eine Trennwand mit einer verschließbaren kleinen Öffnung geteilt wird, und er setzt ein theoretisches Wesen, später Dämon genannt, an die Öffnung. Dieser Dämon lässt nur schnelle Moleküle in eine Richtung hindurch, so dass mit der Zeit ein Ungleichgewicht entstehen müsste, und Maxwell wollte zeigen, dass es statistisch beliebig unwahrscheinlich ist, dass sich die schnellen Gasmoleküle in dem einem Behälterteil und die langsamen in dem anderen Teil ansammeln. Selbst ein Dämon, der einen reibungsfreien Schieber betätigt, kann diese Teilchen nicht ohne Energieaufwand trennen. Dazu scheinbar im Widerspruch steht die Beobachtung, dass sich im Weltall interstellarer Staub anhäuft und so schließlich Himmelskörper formt, dass also Materie nicht gleichverteilt ist.

Dieser scheinbare Widerspruch wird im Rahmen des Praktikums untersucht und genauer charakterisiert. Dabei wird eine Bifurkation an einem einfachen Modellexperiment aufgenommen, um eine Theorie zu prüfen, die für diese Art von Experiment aufgestellt wurde.

Stephan Heise, AG EHFVersuchsanleitung)

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.

Fabio Lopez, AG EHF  (» 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.

Michael Richter, AG EHF  (» 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, J. Thiemann, AG Acoustics (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Effiziente Sprachübertragung durch lineare Vorhersage

Gängige Verfahren zur Audiokompression (MP3, AAC, OGG, ...) erreichen gute Signalqualität bereits bei Kodierungsraten von (128-256) kBit/s indem sie berücksichtigen, welche Signalteile hör- und welche unhörbar sind. Für Handysprachübertragungen stehen aber nur (4-16) kBit/s zur Verfügung. Diese extrem niedrigen Datenraten werden erreicht, indem analysiert wird, welche Sprachlaute überhaupt produziert werden können. Das Verfahren, das daraus resultiert, heißt "Lineare Vorhersage" (engl. Lineare Predictive Coding, LPC) und ermöglicht eine Trennung des Sprachsignals in ein Anregungssignal (das die Grundfrequenz und die Satzmelodie enthält) und in Filterinformation über das Filter "Vokaltrakt", das bei nicht-tonalen Sprachen maßgeblich bestimmt, was gesprochen wird. 

Im Rahmen dieses Versuchs wird die beschriebene Methode in Matlab implementiert und etwas über deren Anwendung im Bereich Machine Learning sowie über Sprachproduktion gelernt. Das ermöglicht einerseits die beschriebene effiziente Übertragung von Sprache, und andererseits eine Modifikation von Sprachsignalen, indem absichtlich verfälschte Information zur Rekonstruktion von Sprachsignalen verwendet wird. 

M. R. Schaedler, AG MEDI (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Dosimetrie am Beschleuniger (Block-PR)

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 einwöchigen Blockpraktikums lernen die Teilnehmer Strahlungsmessungen am Beschleuniger mit Ionisationskammern, Halbleiterdetektoren sowie Ionisationskammerarrays kennen. Während nachmittags theoretische Grundlagen erlernt werden, werden abends diese in Experimenten am Beschleuniger praktisch umgesetzt. Es 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 findet nach Ende der Veranstaltungszeit des Wintersemesters im Pius Hospital statt und wird jeweils nachmittags und abends durchgeführt. Es umfasst 5 Tage (entsprechend 2 Versuchen). An 4 Tagen werden abends Versuche am Beschleuniger durchgeführt.

Daniela Poppinga, T. Stelljes, AG Med. Strahlenphysik (Fak. VI) (» Versuchsanleitung)

Digitale Signalverarbeitung (Block-PR)

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.

Simon Doclo, AG SIGPROC (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)