AG Optik 2022

AG-Bericht der Optik AG aus dem ASL 2022

Leitung: Theresa
Teilis: Alina, Daniel, Jonathan, Janina

Auf die erste Frage in der AG “Was ist Licht?“ konnte eine Antworten gefunden werden: Licht ist ein elektromagnetisches Feld. Konkreter ist Licht ein Vektorfeld, bei dem die Beiträge aus elektrischem und magnetischem Feld orthogonal aufeinander stehen und aneinander gekoppelt sind. Je nach Größenordnung gibt es in der Optik verschiedene Phänomene:

• bei großen Objekten (die deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts sind) ist die Strahlenoptik relevant – durch sie kann Spiegelung, Brechung usw erklärt werden
• in der Wellenoptik werden Phänomene wie Interferenzen erklärt
• das Phänomen der Polarisation (die Ausrichtung der elektrischen undmagnetischen Felder) wird in der elektromagnetischen Optik erläutert
• wird das elektrische Feld quantisiert werden Phänomene wie etwa der optischeDoppelspaltversuch in der Quantenoptik erklärt

In der Strahlenoptik ist das Fermatsche Prinzip zentral. Dies erläutert, dass es für Licht von Punkt A viele verschiedene Wege gibt, um zum Punkt B zu gelangen. Dabei wählt das Licht den optisch kürzesten Weg.
In der elektromagnetischen Optik wurden die prinzipiellen Funktionsweisen von Lasern betrachtet. Laser verfügen über eine hohe Intensität in einem recht schmalen Frequenzbereich – dieser Bereich wird auch Linienbreite genannt. Dabei kann die Verteilung von Energie und Frequenz sich aus der Heisenbergschen Unschärferelation ableiten lässt.

Für den im Experiment genutzten Laser war eine Einführung in die Halbleitertechnik nötig. Dabei ist das Bändermodell zentral. In diesem Modell existieren zwei Zustände : Das Valenzband, in den die Elektronen eines Atoms an das Atom gebunden sind und das Leitungsband, in das Elektronen nach ausreichender Energiezufuhr übergehen und als freie Ladungsträger zur Verfügung stehen. Die Energiedifferenz wird als Bandlücke beschrieben und ist für die drei Fälle des Modells relevant: Leiter (wo sich Valenz- und Leitungsband überlappen), Halbleiter (wo eine relativ geringe Energie für den Übergang notwendig ist) und Isolatoren (eine hohe Energie ist für den Übergang nötig). Die Effekte der Halbleitertechnik entstehen aus der absichtlichen Verunreinigung eines Halbleiters um stellenweise einen Elektronenüberschuss (n- Dotierung) bzw. Elektronenmangel(p-Dotierung) zu provozieren.

Nach einiger theoretischer Vorbereitung wurde nun das zentrale Experiment der AG begonnen: das Michelson – Interferometer.
Dabei wird zunächst der Strahl eines Halbleiterlasers mit dahin unbekannter Wellenlänge mit einem Strahlteiler auf zwei Spiegel gelenkt und dort zurückgeworfen. Die zurückgeworfenen Strahlen treffen schließlich auf eine Photodiode und bilden dort ein Interferenzmuster. Dabei kann ein Spiegel in seiner Halterung verschoben werden, in dem die Halterung erwärmt wird.

Der gesamte Aufbau ist dabei auf eine recht niedriges Budget asugerichtet.

Durch ein Arduino – Systems konnten Daten zur Intensität des Lasers und zur Temperatur der Spiegelhalter erhoben werden. Die weitere Auswertung der Daten fand in Python statt. Dort wurden wurden u.a. die Intensität fouriertransformiert und grafisch ausgegeben.
In der Auswertung ergab sich als Wellenlänge 500 nm, verglichen zur nominalen Wellenlänge von etwa 680 nm ein durchaus gutes Ergebnis für diesen Versuchsaufbau.