Praktika Physikalische Optik und Holographie

In diesem Labor werden unterschiedliche Praktika durchgeführt. In der Regel werden die Versuche in Zweiergruppen bearbeitet. Die Versuchsergebnisse werden in einem Protokoll von den Studierenden ausgewertet. Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum ist Voraussetzung für die Teilnahme an der entsprechenden Klausur. Nachfolgend sind die Versuche der Praktika näher erläutert.

Geometrische Optik:

+Das Reelle Bild

Bei diesem Versuch werden mit zwei unterschiedlichen Linsen (Brennweite: 200 mm, 300 mm und der Kombination der beiden Linsen) die Parameter der Abbildungsgleichung gemessen. Diese sind: Gegenstandsweite, Bildweite, Gegenstandsgröße, Bildgröße, und daraus der Abbildungsmaßstab. Mit Hilfe der Messwerte werden die Brennweiten der verwendeten Linsen graphisch und rechnerisch bestimmt. Als Hausaufgabe wird ein Strahl berechnet, der eine Linse verlässt, bei einem vorgegebenen einfallenden Strahl. Diese Strahlen werden als Geradengleichungen behandelt.

+Das Virtuelle Bild

Verwendet man zur Abbildung eine Linse mit negativer Brennweite, dann erhält man virtuelle Bilder. Diese lassen sich nicht auf einem Schirm zur Beobachtung auffangen. Das gleiche passiert, wenn bei einer Linse mit positiver Brennweite der abzubildende Gegenstand innerhalb der Brennweite liegt. Bei diesem Versuch wird mit einer Hilfslinse das virtuelle Bild auf einem Schirm abgebildet. Mit der Abbildungsgleichung, die im Versuch „Das reelle Bild“ schon ausführlich behandelt wurde lassen sich die Parameter der virtuellen Abbildung bestimmen. Daraus werden graphisch und rechnerisch die Brennweiten der Linsen bestimmt. Bei der Hausaufgabe wird die Abbildung mit zwei Linsen,die einen bestimmten Abstand zueinander haben, brechnet.

+Brechungsindex und Dispersion

Bei diesem Versuch wird mit Hilfe des Snelliussche Brechungsgesetzes der Brechungsindex eines Probekörpers für unterschiedliche Einfallswinkel bestimmt. Im zweiten Teil des Versuchs wird mit einem Prismenspektrometer die Dispersionskurve von Glas bestimmt. Als Probekörper wird ein 60° Prisma verwendet.. Der Brechungsindex wird bei unterschiedlichen Wellenlängen durch die Messung des Winkels der Minimalablenkung bestimmt. Als Endergebnis wird Die Dispersionskurve des verwendeten Glases gezeichnet.

Das Praktikum Geometrische Optik findet im dritten Semester statt.

Zum Modulhandbuch Geometrische Optik

Wellenoptik

+Das Michelson Interferometer

Bei diesem Versuch lernen die Studierenden den Umgang mit einem Michelsoninterferometer (MI). Mit Hilfe einer bekannten Spektrallinie (Hg 546 nm) wird die Spiegelverschiebung kalibriert. Dazu werden die Anzahl der Streifen gezählt , die bei einer definierten Spiegelverschiebung durch das Bildfeld laufen. Von der gelben Hg Linie (577 nm und 579 nm) wird aus der Messung der Kontrastminima der Abstand der beiden Linien bestimmt. Die Durchlassbreite eines Interferenzfilters wird aus der Breite der Kontrastfunktion gemessen, hierzu wird eine weiße Halogenlichtquelle benutzt. Die Dicke eines Glasplatte in einem Arm des Interferometers wird aus der Spiegelverschiebung, die nötig ist, um wieder Interferenzstreifen zu sehen, bestimmt.

+Beugung am Spalt und anderen Öffnungen

Bei diesem Versuch werden zuerst die Beugungserscheinungen an einer Spaltblende untersucht. Die Beugungsfiguren werden zunächst qualitativ untersucht, hierbei wird auf den Unterschied zwischen Fresnelscher und Fraunhoferbeugung eingegangen. Im zweiten Schritt werden für unterschiedliche Spaltbreiten die Breiten der Beugungsfiguren für unterschiedliche Entfernungen gemessen. Mit Hilfe der Diagramme werden nochmals die Unterschiede zwischen den beiden Beugungsregimes verdeutlicht. Im letzten Teil des Versuches wird die Beugung an einer kreisförmigen Öffnung behandelt. Dabei wird die Beugung mit Hilfe der Fresnelschen Zonenkonstruktion erklärt.

+Gitterherstellung und Polarisation

Mit Hilfe eines sog. Fresnelspiegels werden zwei Teilstrahlen eines Lasers überlagert. Von dem dabei entstehenden Interferenzmuster wird die Periode gemessen. Zusätzlich wird der Winkel der beiden Teilwellen bestimmt und daraus ebenfalls die Periode des Interferenzmusters bestimmt und mit der ersten Messung verglichen. In die beiden Teilwellen wird jeweils ein lin. Polarisator, bei denen die Durchlassrichtungen rechtwinklig zueinander stehen eingefügt. Das resultierende Muster wird ohne und mit einem lin. Analysator beobachtet.
Hinter den lin. Polarisatoren der Teilwellen wird zusätzlich eine Viertelwellenplatte eingefügt. Dadurch erhält man eine links und eine rechts zirkular polarisierte Welle. Das resultierende Muster wird wieder ohne und mit einem lin. Analysator beobachtet. Die unterschiedlichen auftretenden Polarisationszustände werden mit Hilfe der Jonesvektoren mathematisch beschrieben.

+Die Zonenplatte

Im Praktikum wird eine „Inline Zonenplatte“ verwendet. Von dieser wird für eine Wellenlänge die Brennweite ermittelt. Aus der Theorie der Zonenplatte leiten die Studierenden die Formel für die Brennweiten anderer Wellenlängen her und vergleichen diese mit gemessenen Werten. Die Abbildungsfehler einer Zonenplatte werden untersucht, speziell der Astigmatissmus und die chromatische Aberration. Die unterschiedlichen Gitterkonstanten der Zonenplatte werden gemessen und theoretisch berechnet.

+Optische Filterung

Bei der Optischen Filterung bestimmen die Studierenden aus der Beugungsfigur in der Fourierbeugung die Breite eines Spaltes, den Abstand beim Doppelspalt und die Gitterkonstante eines Beugungsgitters. Mit Hilfe eines Gitters werden durch Manipulationen in der Fourierebene eine optische Hoch und Teifpassfilterung durchgeführt. Bei einem Objekt, das mit unterschiedlich orientierten Gittern hergestellt wurde, werden die zu dem jeweiligen Gitter gehörenden Objektstrukturen in der Fourierebene herausgefiltert und dokumentiert.

Das Praktikum Wellenoptik findet im dritten Semester statt.

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Radiometrie, Photometrie und Strahlungsphysik

+Lichtquellen

Bei diesem Versuch werden die Abhängigkeiten zwischen Strom, Spannung und optische Leistung einer LED im Betrieb ermittelt. Als weiteren Parameter wird die Temperatur der LED definiert verändert. Zusätzlich werden die Abstrahlwinkel von unterschiedlichen Lichtquellen (Kugelstrahler, Lambertscher Strahler), gerichteter Strahler gemessen. Im letzten Teil des Versuches wird mit Hilfe einer Ulbrichtkugel der Wirkungsgrad von einer Glühlampe, Energiesparlampe und einer LED Lampe ermittelt. Hierfür muss zuvor die Ulbrichtkugel kalibriert werden.

+Beleuchtung

Im Versuch Beleuchtung wird die Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke vom Abstand gemessen. Die Studierenden ermitteln die Parameter für die Bestrahlungsstärke und führen anschließend eine Abstandsmessung durch. Im zweiten Teil wird die Strahldichte bzw. Leuchtdichte einer homogen beleuchteten Fläche gemessen. Dazu werden in der Bildebene eines abbildenden Systems radiometrische (= physikalische) Größen und Fotometrische ( = der Augenempfindlichkeit entsprechende) Größen gemessen und berechnet. Aus den Daten der verwendeten optischen Abbildung kann dann die Strahldichte bzw. Leuchtdichte berechnet werden. Zum Schluss wird für die Farben Rot, Grün und Blau die Bestrahlungsstärke gemessen und mit Hilfe der Augenempfindlichkeitskurve die Beleuchtungsstärke errechnet. Diese Werte werden mit einer Messung der Beleuchtungsstärke verglichen.

+Strahlung und Messung

Zuerst wird die spektrale Empfindlichkeit von vier verschiedenen Detektoren (Si Diode, photometrischer Empfänger, InGaAs Diode und Thermopile) bestimmt. Dazu steht eine Lichtquelle zur Verfügung, die bei acht verschiedenen Wellenlängen (355 nm bis 1550 nm) definierte Bestrahlungsstärken erzeugt. Zusätzlich werden die Geschwindigkeiten der einzelnen Empfänger gemessen und verglichen. Mit einem Strahlungsthermometer werden die Emissionsgrade (epsilon = 0,1 bis 0,95) von vier unterschiedlichen Proben ermittelt. Zum Schluss wird das Lambert-Beersches Gesetz mit Hilfe eines Spektrometers überprüft. Als Probe dienen unterschiedliche Verdünnungen einer farbigen Flüssigkeit.

Das RFS Praktikum findet im vierten Semester statt.

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Optische Messtechnik

+Lichtgeschwindigkeit

Bei diesem Versuch wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen. Hierfür wird ein Laserdiode verwendet, die mit einem Frequenzgenerator angesteuert wird. Der Laserstrahl wird mit einem Strahlteiler in zwei Strahlen aufgespalten. Mit zwei schnellen Photodioden wird die Laufzeitdifferenz des Lichtes zischen einer kurzen und einer langen Strecke gemessen. Diese Messung wird mit einem Oszilloskop durchgeführt. Ein Strahl wird direkt nach dem Strahlteiler gemessen, der zweite Strahl legt mit Hilfe eines Spiegels eine Strecke von ca. 50 m zurück. Aus der Laufzeit und der Strecke kann die Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Studierenden machen eine Abschätzung ihrer Messfehler bei der Zeit- und Wegmessung und errechnen daraus den Messfehler für die Lichtgeschwindigkeit.

+Spektrometer

Es werden Transmissionskurven von unterschiedlichen Filtern gemessen. Danach muss mit einer Kalibierlampe die spektrale Empfindlichkeit des Spektrometers bestimmt werden. Damit können dann unbekannte Lichtquellen spektral vermessen werden. Mit Hilfe einer weißen Lichtquelle wird die Dicke und die Brechzahl einer dünnen Schicht (ca. 5µm) gemessen. Dafür ist es notwendig die Probe unter verschiedenen Winkeln zu bestrahlen und zu messen. Aus der Modulation des resultierenden Spektrums werden die gesuchten Werte berechnet.

+Photodiode

Bei diesem Versuch werden die Eigenschaften einer Photodiode näher betrachtet. Es werden drei verschiedene Betriebsarten (als Stromquelle, vorgespannter Betrieb und Elementbetrieb ) untersucht. Es wird dabei die Abhängigkeit des Diodensignals von der auftreffenden optischen Leistung bestimmt. Die Empfindlichkeit wird als Funktion der Lastwiderstandes gemessen. Für den vorgespannten Betrieb und den Elementbetrieb wird der Dunkelstrom verglichen. Die Geschwindigkeit der Photodiode wird für diese Betriebsarten für unterschiedliche Lastwiderstände untersucht.

+Brechzahl Luft, räumliche Kohärenz

Mit Hilfe eines Michelsoninterferometers wird die Brechzahl von Luft gemessen. Dazu wird in einen Arm des Interferometers eine Küvette gestellt. Diese kann mit einer Pumpe evakuiert werden. Dadurch verändert sich der optische Weg und das beobachtete Interferogramm. Aus dem Differenzdruck und der beobachteten Phasenverschiebung kann die Brechzahl von Luft berechnet werden.
Benutzt man bei diesem Interferometer einen variablen Spalt als Lichtquelle, dann ist es möglich, die räumliche Kohärenz der Lichtquelle zu verändern. Diese Veränderung der räumlichen Kohärenz zeigt sich in einem unterschiedlichen Kontrastverlauf des Interferenzmusters. Mit Hilfe der Nullstellen des Kontrastes kann die Breite der Lichtquelle berechnet werden.

+Kamera

bei dieser Aufgabe lernen die Studierenden eine Kamera am PC zu programmieren. Dazu wird ihnen ein Steuerprogramm, welches die Ansteuerung der Kamera und die Darstellung auf dem Bildschirm beinhaltet, zu Verfügung gestellt. In selbst zu erstellenden Methoden in C++ werden elementare Operationen (Negativbild, Schwellwert, Differenzbild) auf die Bilder angewandt. Im Weiteren wird der Schwerpunkt einer kleinen Lichtquelle im Bild berechnet. Damit kann eine erste Messung einer mechanischen Verschiebung optisch gemessen werden. Als Abschluss werden Bilder (Gitter und Siemensstern), die zur strukturierten Beleuchtung dienen könnten, generiert.

Das Praktikum Optische Messtechnik findet im vierten Semester statt.

Zum Modulhandbuch Optische Messtechnik

Sollten Sie Fragen zu Versuchen haben können Sie uns gerne ansprechen. Die Kontaktaktdaten finden Sie auf der linken Seite.

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