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Abteilung Optik

Der sehr kleine Bereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums zwischen 380 nm und 750 nm Wellenlänge, den wir Menschen mit unseren Augen wahrnehmen können, ist für uns von so großer Wichtigkeit, dass er einen eigenen Namen bekommen hat: die Optik.

Die vielfältigen Eigenschaften der Strahlung und die bemerkenswerten Effekte, die wir in diesem Wellenlängenbereich beobachten können, ermöglichen uns die Realisierung wichtiger und wertvoller Untersuchungsmethoden, die aus den Naturwissenschaften und der Technik heutzutage nicht mehr wegzudenken sind.

Anhand der Praktikumsversuche in der Abteilung Optik sollen einige wichtige Eigenschaften optischer Strahlung experimentell untersucht werden, sowie wichtige optische Messverfahren verstanden und erprobt werden. Dabei werden Begriffe wie Brechung, Beugung, Polarisation, Dispersion und Kohärenz diskutiert und in Experimenten verdeutlicht.

Die Versuche befinden sich im Gebäude S2/07 in den Räumen 215, 218 und 253.

Beachten Sie bei allen Versuchen, die mit Laserstrahlung zu tun haben bitte das Merkblatt zum Laserschutz.

O1 – Abbildungseigenschaften

In diesem Versuch (Versuchsanleitung) sollen die Gesetze von einfachen Linsenabbildungen experimentell untersucht werden. Hierzu stehen konvexe und konkave Linsen verschiedener Brennweite zur Verfügung, mit denen ein Lichtbild auf einem Schirm abgebildet und vermessen werden kann. Durch die Kombination mehrerer (verschiedener) Linsen lässt sich zum einen die effektive Brennweite ändern, zum anderen lassen sich dadurch Linsenfehler korrigieren und damit die Abbildungseigenschaften deutlich verbessern (aus diesem Grund bestehen gute Objektive immer aus mehreren Linsen).
Am Ende des Versuches sollen die abbildenden Eigenschaften mit dem Aufbau eines Projektionsapparates (oder auch „Diaprojektor“) demonstriert werden.

O2 – Mikroskop

Im Rahmen dieses Versuches (Anleitung) werden der prinzipielle Aufbau des Mikroskops, die wichtigsten Eigenschaften sowie die Bildentstehung im Mikroskop diskutiert. Hierzu gehören auch die Funktionen und Eigenschaften von Linsen als Hauptbestandteil des Mikroskops, sowie die Unterschiede reeller und virtueller Bilder. Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops sowie der Abbildungsmaßstab des Objektivs (und somit auch des Okulars) werden experimentell vermessen. Mit einem geometrisch trickreichen Verfahren kann die Numerische Apertur des Objektives und somit das Auflösungsvermögen des Mikroskops bestimmt werden. Außerdem wird der Effekt der „scheinbaren optischen Dicke“ untersucht und damit der optische Brechungsindex von Glas bestimmt.

O5 – Beugung

Durch die hohe zeitliche und räumliche Kohärenz von Laserstrahlung lassen sich Beugungsphänomene mit Laserlicht besonders gut beobachten. Neben der Beugung an einer Spaltöffnung wird in diesem Versuch (Versuchsanleitung) die Beugung an Gitterstrukturen diskutiert (Beispiele gibt es hier) und experimentell untersucht. Der Einfluss der endlichen Spaltbreite der Gitterlinien sowie die Beugungsmuster der Beugung an einer Vier-Loch-Blende werden besprochen und im Experiment vermessen. Damit lässt sich die Größe der beugenden Struktur oder die Wellenlänge des gebeugten Lichtes bestimmen. Als Beispiel wird in diesem Versuch der Abstand der Spuren auf einem handelsüblichen CD-Rohling anhand der Beugung eines Laserstrahls an der Spur-Struktur experimentell ermittelt. Außerdem wird die Theorie des Lasers und der Erzeugung von Strahlung hoher räumlicher und zeitlicher Kohärenz diskutiert und auf die Eigenheiten und Gefahren von Laserstrahlung hingewiesen. Beachten Sie deshalb auch das Merkblatt zum Laserschutz!

O7 – Polarisation und Doppelbrechung

Was ist linear polarisiertes Licht? Wie unterscheidet man linear, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht? Was versteht man unter Doppelbrechung, und wie groß ist die optische Aktivität von Quarz? All diese Fragen werden im Rahmen des Versuches (Anleitung) diskutiert und experimentell untersucht. Hierzu steht ein computerunterstützter Aufbau zur Verfügung. Zunächst wird das Licht einer Laserdiode (Merkblatt zum Laserschutz) mittels eines Polarisators und einer Photodiode charakterisiert. Der Computer zeichnet dabei die Leistung auf der Photodiode als Funktion des Drehwinkels des Polarisators auf. Als Nächstes soll mit einem λ/4-Plättchen zirkular polarisiertes Licht hergestellt werden. Mit der Auftragung in einem Polardiagramm lässt sich hier der Polarisationsgrad des Lichtes bestimmen. Abschließend wird die optische Aktivität von Quarz charakterisiert.

O10 – Interferometer

In diesem Versuch (Versuchsanleitung) sollen mit einem Michelson-Interferometer die Wellenlänge sowie der Abstand der gelben Doppellinien der Strahlung einer Hg-Dampflampe ermittelt werden. Hierzu wird die Anzahl der Linien der Interferenzmuster mit der Änderung des optischen Weges verglichen und somit auf die Wellenlänge des Lichtes zurück geschlossen. Durch eine Auswertung des Kontrastes der beiden sich überlagernden Interferenzmuster der gelben Spektrallinien lässt sich präzise auf deren spektralen Abstand schließen. Im zweiten Teil wird – mit einiger Geduld – das Interferenzmuster von weißem Licht eingestellt und die Kohärenzlänge von Weißlicht vermessen. Außerdem wird mit Farbfiltern der Einfluss der spektralen Einschränkung der Strahlung auf deren zeitliche Kohärenz untersucht.

O13 – Phasenkontrastmikroskop (Wahlversuch)

Das Phasenkontrastverfahren, das 1935 vom holländischen Physiker Zernike entwickelt wurde, nutzt trickreich die Tatsache aus, dass bei Phasenobjekten zwischen der nullten und den höheren Beugungsordnungen ein Phasenunterschied von π/2 vorliegt, was bei Amplitudenobjekten nicht der Fall ist. Durch eine weitere Verschiebung dieser Phasendifferenz durch ein λ/4-Plättchen in der Brennebene wird dieser Unterschied vergrößert und somit in der Bildebene (durch destruktive Interferenz) ein kontrastreiches Abbild des Phasenobjektes erzielt. Um dieses Verfahren zu verstehen, muss man die Bildentstehung einer optischen Abbildung (wie sie auch im Mikroskop vorliegt) nach der Theorie von Abbe betrachten, nach der zur Entstehung des Bildes die Überlagerung von mindestens einer höheren Beugungsordnung der am Objektpunkt gebeugten Wellen mit der nullten Beugungsordnung notwendig ist.

Auch hier zur Vorbereitung bitte die Versuchsanleitung durcharbeiten. Bitte planen Sie für diesen Wahlversuch etwas mehr als die übliche Zeit ein.

O14 – Optische Spektralanalyse

Im Laufe des Versuches (Anleitungsblatt) werden die Herkunft optischer Strahlung sowie die den emittierenden Stoff kennzeichnenden Eigenschaften diskutiert. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Gitterspektrographen sowie die verschiedenen Faktoren, die das Auflösungsvermögen beeinflussen, werden erarbeitet und experimentell untersucht. Anschließend wird das Linienspektrum verschiedener Gase analysiert.

Für diesen Versuch benötigen Sie Millimeterpapier.