AG Experimentelle Nanophysik und Photonik

Fortgeschrittenen Praktikum

P07: Absorptionsspektroskopie in optischen Resonatoren

Dieser höchst moderne Projektversuch P07 wurde mit Hilfe von OWL (Offensive für Wissen und Lernen) und Berufungsmitteln in der AG Dopfer in der Zeit 2007-2010 schrittweise aufgebaut. Er vermittelt Grundwissen in vielen verschiedenen grundlegenden Bereichen der Experimentalphysik (Molekülspektroskopie, Optik, Laser, Resonatoren, Vakuum, Atmosphären- und Umweltphysik). Die Methode der Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS) ist zusammen mit der sehr verwandten Cavity-Ringdown Spectroscopy (CRDS) die sensitivste Methode zum Nachweis von Spurengasen. Sie beruht auf resonatorverstärkter Absorption in einer Kavität aus hochreflektierenden Spiegeln (R>0.9994), durch die effektive Absorptionslängen von einigen km erreicht werden. In diesem Versuch wird mit CEAS ein mehrfach verbotener elektronischer Übergang von molekularem Sauerstoff (O2) mit sehr hoher Auflösung vermessen.  Hierbei werden fundamentale Molekülkonstanten, wie z.B. die Rotationskonstante und der Stoßquerschnitt von O2, bestimmt. Der Versuch gibt so einen tiefen Einblick in die Molekülphysik am Beispiel von O2, das zweithäufigste Molekül in unserer Atmosphäre. Dieser charakteristische Übergang spielt nicht nur eine zentrale Rolle für den Strahlungshaushalt und Treibhauseffekt der Erdatmosphäre, sondern könnte mit modernen Teleskopen auch genutzt werden, um O2 in der Atmosphäre von Exoplaneten (und damit Leben wie wir es kennen) nachzuweisen (Stichwort Astrobiologie).

Lernziele & Methoden

Spektroskopie & Molekülphysik

  • molekularer Hamiltonoperator (elektronisch, Vibration, Rotation, Elektronenspin)
  • Eigenwerte (Energien), Matrixelemente (Intensitäten), Auswahlregeln, Termsymbole
  • LCAO Methode
  • Linienbreite (natürlich, Doppler, Druck)
  • Jod als sekundärer Wellenlängenstandard
  • Molekülkonstanten (Bindungslänge, Rotationskonstante, Stoßquerschnitt)
  • CEAS und CRD Methoden

Optik

  • Resonatoren und Etalon, dielektrische Spiegel, Teleskop, Optisches Gitter
  • Wellenlängenkalibrierung mit Fabry-Perot Interferometer
  • Polarisationseffekte und Faraday Isolator
  • Aufbau eines komplexen Stahlengangs, Justage von optischen Elementen

Laserphysik

  • Funktionsweise eines durchstimmbaren einmodigen Diodenlaser
  • Eigenmoden eines He/Ne Lasers

Vakuumphysik

  • Erzeugung und Messung von Vakuum

Atmosphären- & Klimaphysik

  • Treibhauseffekt
  • Nachweis von Spuren- und Treibhausgasen

Datenanalyse

  • Linearisierung, Untergrundabzug, Kurvenanpassung
  • Fehleranalyse, mehrdimensionales Fitting

Auswertung & Protokollierung

  • Datensicherung, -speicherung, -management
  • Führen eines Laborbuches, Dokumentation der Auswertung
  • Erstellen eines Protokolls
  • Detaillierte Betrachtung und Abschätzung der Unsicherheiten
  • Kritische Auseinandersetzung und Einordnung der Ergebnisse

Kontakt

Gebäude EW
Raum 335