Experimentelle Übungen zum Wahlfach Nichtlineare Physik
WS 2011/2012
| Termin | Nach Vereinbarung, auch in der vorlesungsfreien Zeit |
| Umfang | mindestens 4 LP |
| Voranmeldung: | AP Raum 218 oder per E-Mail |
| Vorbesprechung: | Do 13. 10. 2011, 11:00 Uhr s.t., AP, SR |
| Zuordnung: | Master: Experimentelle Übung: Physikalische Vertiefung (I o. II) Nichtlineare Physik Diplom: Experimentelle Übung zum Wahlfach (I o. II) Nichtlineare Physik |
In dem Praktikum können je nach Interesse Versuche zu nichtlinearen Effekten in elektrischen, magnetischen und optischen Systemen durchgeführt werden. Aus dem folgendem Angebot müssen Versuche mit einem Umfang von mindestens 4 Leistungspunkten durchgeführt werden.
Nichtlineare Schwingungen (2 Tage/LP)
Physikalische Systeme werden meist anhand linearer Näherungen beschrieben. Ein klassisches Beispiel hierfür ist der harmonische Oszillator. Auf der anderen Seite wird aber fast jedes System, betreibt man es nur mit genügend großen Amplituden (Energien), nichtlinear. Als Beispiel sei hier die Frequenzverdopplung in nichtlinearen Kristallen genannt, die erst durch die Entwicklung einer leistungsstarken Lichtquelle, des Lasers, verwirklicht werden konnte.
In dem Versuch sollen, ausgehend von einem einfachen linearen Drehpendel (Pohlsches Rad), verschiedene nichtlineare Phänomene demonstriert und analysiert werden. Beispiele sind die Bistabilität, Resonanzfrequenzverschiebung, Periodenverdopplung und das Chaos.
Betreuer: Michael Kues
Strukturbildung bei gekoppelten elektrischen Oszillatoren (2 oder 3 Tage/LP)
In dem Versuch wird ein Phänomen der Strukturbildung, die Frontausbreitung, untersucht. Unter bestimmten Vorraussetzungen können hierzu theoretische Vorhersagen gemacht werden, die experimentell überprüft werden.
Die Versuche werden an einem System aus 128 gekoppelten elektrischen nichtlinearen Oszillatoren durchgeführt. Dieser Aufbau wird durch ein System von zwei nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen (Reaktions-Diffusions-System) beschrieben.
Betreuer: Jürgen Berkemeier
Nichtlinearer Ferromagnetismus (3 Tage/LP)
Die ferromagnetische Resonanz (FMR) ist eine beliebte Methode zur Untersuchung und Charakterisierung magnetischer Materialien. Grundsätzlich ist die FMR die Resonanzabsorption von Mikrowellenstrahlung in einer ferromagnetischen Probe. Den Studierenden wird ein Versuch angeboten, in dem die Resonanzabsorption einer Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 3-5 GHz an einer dünnen ferromagnetischen Schicht untersucht wird. Dabei lernt man, wie man ein magnetisches Feld erzeugen bzw. messen kann, wie Mikrowellenkomponenten (z.B. ein Mikrowellenzirkulator) funktionieren und wie man eine Resonanzkurve aufnimmt. Der Versuch zeigt sehr deutlich die nichtlineare Natur der Wechselwirkung von magnetischen Momenten mit dem elektromagnetischen Feld. Das Ziel des Versuches ist die Beobachtung der Evolution der Resonanzabsorptionskurve mit der wachsenden Mikrowellenleistung. Der sogenante "Foldover-Effekt" wird in Detail untersucht.
Betreuer: Matthias Buchmeier
Solitonen (2 Tage/LP)
Solitonen sind großamplitudige, nichtlineare Pulse, die sich formstabil ausbreiten, weil die Dispersion durch die Nichtlinearitäten kompensiert wird. Sie treten in vielen Gebieten der Physik auf (Wasserwellen, Plasmawellen, optische Pulse, gekoppelte Oszillatoren). Im Versuch werden die Eigenschaften von Solitonen auf einer elektrischen Modellleitung quantitativ vermessen.
Betreuer: Martin Boguslawski
Strahlkopplung und optische Phasenkonjugation (3 Tage/LP)
In diesem Versuch wird der Zwei- und Vier-Wellen-Mischprozess untersucht. Zwei-Strahl-Kopplung bewirkt den Energieaustausch zwischen zwei kohärenten Lasertrahlen in einem nichtlinearen Medium. Es wird die Abhängigkeit der Kopplungskonstante von verschiedenen charakteristischen Größen in einem photorefraktiven Barium-Titanat-Kristalls bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse werden hinsichtlich optischer Bildverstärkung und Auflösungsvermögen ausgewertet.
Der zweite Versuchsteil beschäftigt sich mit optischer Phasenkonjugation. Phasenkonjugation ist ein Mittel um Störungen im Phasenprofil eines Lichtstrahls zu beheben, der durch ein aberratives Medium propagiert. Es wird experimentell ein phasenkonjugierter Spiegel realisiert und seine Reflektivität in Abhängigkeit der Pump- und Signalintensitäten bestimmt.
Der Versuch eignet sich sowohl für den Schwerpunkt Nichtlineare als auch Photonik und Angewandte Wellenhysik.
Betreuer :NN
Frequenzverdopplung im gütegeschalteten Nd:YAG-Laser (2 oder 3 Tage/LP)
Optisch gepumpte Nd:YAG- Laser kommen häufig in der Industrie, Forschung und Medizin zum Einsatz. In diesem Versuch wird aus Einzelteilen wie Resonatorspiegeln, Pumpdiode und Nd:YAG-Kristall ein Laser aufgebaut, dessen typische Eigenschaften experimentell untersucht werden. In einem nichtlinearen Kristall wird anschließend das emittierte infrarote Licht in seiner Frequenz verdoppelt. Mit einer Güteschaltung lassen sich dann auch aus der kontinuierlichen Emission kurze Laserpulse erzeugen. Der Versuch gibt einen Einblick in die Funktionsweise und Eigenschaften eines Lasers und der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.
Betreuer: Michael Eßeling
Erzeugung von Superkontinuum (3 Tage/LP)
In dem Versuch zum Thema Superkontinuum wird mit Hilfe eines modengekoppelten Lasers (Titan-Saphir-Laser), der in eine spezielle, mikrostrukturierte Glasfaser eingekoppelt wird, ein Superkontinuum erzeugt. Unter einem Superkontinuum wird eine Lichtverteilung mit einer spektralen Bandbreite von mehreren zehn bis mehreren hundert Nanometern verstanden. Zur spektralen Verbreiterung tragen mehrere nichtlineare Prozesse bei: Selbstphasenmodulation, Kreuzphasenmodulation, Vier-Wellen-Mischung und Raman-Streuung. Aufgrund der großen nichtlinearen Wechselwirkungslänge (begrenzt durch die Faserlänge) und der hohen Leistungsdichte (sehr kleiner Kerndurchmesser) reichen zur Erzeugung von Superkontinua in Fasern bereits geringe Lichtleistungen aus, um die nichtlinearen Effekte zur spektralen Verbreiterung auszunutzen.
Es handelt sich bei dem Praktikumsversuch nicht um einen vorgefertigten Versuch. Vielmehr werden anstehende Messaufgaben, die für die aktuelle Forschung der Arbeitsgruppe von Interesse sind, übernommen. Dabei sind beispielsweise von Bedeutung: die Polarisationseigenschaften der Superkontinua verschiedener Fasertypen, die Abhängigkeit von der Eingangsleistung, der Eingangspolarisation oder des Eingangschirps.
Betreuer: Michael Kues
