Experimentelle Übungen zur Nichtlinearen Physik

SS 2019

Termin Nach Vereinbarung, auch in der vorlesungsfreien Zeit
Umfang mindestens 4 LP
Voranmeldung: AP Raum 218 oder per E-Mail
Vorbesprechung:  Mo. 8. 4. 2019, 14:00 Uhr im SR AP
Zuordnung: Experimentelle Übung: Physikalische Vertiefung (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: Jürgen Berkemeier

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: Boris Divinskiy

Leidenfrost Effekt (2 Tage/LP)

Ein Wassertropfen, der erwärmt wird, verdampft umso schneller je näher die Temperatur an der Siedetemperatur von 100 °C liegt. Überschreitet man diese würde man erwarten, dass der Tropfen sehr schnell "verkocht". Heizt man jedoch eine glatte Oberfläche weit über die Siedetemperatur von Wasser, wird diese Erfahrung aus dem täglichen Leben scheinbar ad absurdum geführt: die Lebensdauer von Wassertropfen auf der Oberfläche wird bis auf Zeitskalen von Minuten verlängert. Dies ist der sogenannte Leidenfrost-Effekt.

Betreuerin: Eileen Otte

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.

Betreuerin: Vanessa Bobkova

Nichtlineare Mikroskopie (3 Tage/LP)

Die nichtlineare Mikroskopie charakterisiert Proben nicht aufgrund ihrer Absorptionseigenschaft oder ihres Brechungsindex, sondern anhand ihrer Wechselwirkung mit einem intensiven Laserimpuls. In dem Praktikumsversuch soll ein Laser-Scanning-Mikroskop aufgebaut werden, mit dem eine Probe mit einem Laserstrahl abgerastert werden kann, um so punktweise ein Abbild verschiedener Proben zu generieren. Als Kontrastmechanismus soll dabei die Zwei-Photonen-Fluoreszenz ausgenutzt werden.

Betreuer: Thomas Würthwein