Modulhandbuch BaET2012_Wellenoptik

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Verantwortlich: Prof. Dr. Michael Gartz

Modul

Anerkennbare Lehrveranstaltung (LV)

• F07 WO

Organisation

Bezeichnung Lang BaET2012_Wellenoptik MID BaET2012_WO MPID

Zuordnung Studiengang BaET2012 Studienrichtung O Wissensgebiete O_GWO

Einordnung ins Curriculum Fachsemester 4-5 Pflicht O Wahl

Version erstellt 2011-12-08 VID 1 gültig ab WS 2012/13 gültig bis

Zeugnistext

de

Wellenoptik

en

Wave Optics

Unterrichtssprache

Deutsch oder Englisch

Modulprüfung

Form der Modulprüfung
sk	Regelfall (bei geringer Prüfungsanzahl: sMP)

Beiträge ECTS-CP aus Wissensgebieten
O_GWO	5
Summe	5

Aufwand [h]: 150

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Prüfungselemente

Vorlesung / Übung

Form Kompetenznachweis
bÜA	Präsenzübung und Selbstlernaufgaben

Beitrag zum Modulergebnis
bÜA	unbenotet

Spezifische Lernziele

Kenntnisse

• (PFK.1, PFK.2, PFK.3, PFK.4, PFK.5, PFK.7, PFK.11)
  • Licht in Wellenbeschreibung
    • Etwas Optik Geschichte
    • Abgrenzung der Wellenoptik zur Geometrischen Optik
    • Wellengleichung
      • Definition einer Welle
      • Elektrische Feldstärke
      • Magnetische Feldstärke
      • Mathematische Beschreibung der Wellen
      • Harmonische Welle
      • Definition der Intensität
  • Interferenz von Wellen
    • Superpositionsprinzip = lineares System
    • Zweistrahlinterferenz
      • mathematische Beschreibung
      • Michelson-Interferometer
      • Youngscher Doppelspalt Versuch
      • Mach-Zehnder Interferometer
      • Interferenz an dünnen Schichten
  • Kohärenz
    • Definition Kohärenz
    • Zeitliche Kohärenz / spektrale Verteilung
    • Räumliche Kohärenz / geometrische Ausdehnung
    • Kohärenzvolumen
  • Beugung
    • Elementarwellen
    • Huygensches Prinzip
    • Fraunhofer- Beugung
      • Beugung am Spalt
      • Beugung an der Kreisblende
      • Beugung am Gitter
      • Beugung an der Zonenplatte
      • Auflösungsvermögen optischer Instrumente
        • Rayleigh Kriterium
      • Fraunhofer-Beugung als Fourier Transformation
        • Transmissionsfunktion des Spalts
    • Fresnel-Beugung
      • Beugungsregime
      • Fresnel-Beugungsbilder
      • Fresnel Zonen
        • Fresnelsche Zonenplatte
      • Beugung am Spalt
      • Babinetsches Prinzip
  • Polarisation
    • Erzeugung von polarisiertem Licht
      • Brewster Winkel
      • Dichroismus
      • Doppelbrechung
      • Reflektion
      • Streuung
    • linear-, zirkulare-, elliptische Polarisation
    • Darstellung von Polarisationszustände als Überlagerung zweier linear polarisierter Wellen
    • mathematische Berschreibung der Polarisation
      • Jones-Vektoren
      • Jones-Matrizen
    • Polarisations aktive otische Komponenten
  • Fresnelsche Gleichungen
    • Reflexionskoeffizienten
    • Reflexion an optisch dichteren Medien
    • Reflexion an optisch dünneren Medien
    • Phasenänderung bei Reflexion

Fertigkeiten

• (PFK.1, PFK.2, PFK.3, PFK.4, PFK.5, PFK.7, PFK.8, PFK.11)
  • Berechnen von
    • Feldstärke und Intensität bei Zweistrahlinterferenz
    • Kohärenzlänge
    • Kohärenzzeit
    • spektraler Breite einer Lichtquelle
    • Kontrast
    • Gangunterschied und Phasendifferenz
    • Brechungsindex und Schichtdicke einer Entspiegelungsschicht
    • Jones-Vektoren und Matrizen
    • Reflexionskoeffizienten für senkrechte und parallele Einstrahlung
    • der Gitterkonstante eines harmonischen Gitters
  • definieren von
    • Wellenfunktionen
    • komplexen Wellenfunktionen
  • erzeugen
    • eines harmonischen Gitters
    • von polarisiertem Licht
  • Bestimmen von
    • Polarisationszuständen
    • Farblängsfehler einer Zonenplatte
  • erkennen / benennen
    • der Interferenzerscheinungen bei polarisiertem Licht
    • des Astigmatismus einer Zonenplatte

Handlungskompetenz demonstrieren

• Lernfähigkeit demonstrieren (PSK.4) (Übungen)
• Gesellschaftliche und ethische Grundwerte anwenden (PSK.3) (Vorlesung + Übung)
• Finden sinnvoller Systemgrenzen (PFK.1) (Übungen)
• Abstrahieren der wesentlichen Aspekte eines fachlichen Problems (PFK.2) (Übung)

Exemplarische inhaltliche Operationalisierung

Aufstellen und definieren von Wellenfunktionen;
Berechnen der Feldstärke und Intensität der Zweistrahlinterferenz;
Berechnen der Kohärenzlänge und Kohärenzzeit für verschiedene Lichtquellen.
Erkennen und verstehen des Zusammenhangs zwischen spektraler Breite einer Lichtquelle und der Kohärenz;
Bestimmung des Kontrastes bei verschiedenen Phasenbeziehungen;
Verstehen der verschiedenen Polarisationszustände der elektromagnetischen Wellen;
Erkennen und identifizieren von Fresnel- und Fraunhofer-Beugung;
Berechnen eines harmonischen Gitters;

Praktikum

Form Kompetenznachweis
bPA	Praktikum, möglichst Teamarbeit
sSB	schriftlicher Ergebnisbericht

Beitrag zum Modulergebnis
bPA	Testat oder benotet, 0…30%

Spezifische Lernziele

Fertigkeiten

• (PFK.1, PFK.4, PFK.10, PFK.12, PFK.13, PSK.5)
  • optische Aufbauten justieren
  • Messreihen aufnehmen und dokumentieren
  • Diagramme erstellen
  • Ergebnisse auf Plausibilität überprüfen
  • Zusammenhänge erkennen und verstehen
  • Fehlerrechnung

Handlungskompetenz demonstrieren

• (PFK.3, PFK.4, PFK.5,PFK.6, PFK.7, PFK.10, PFK.11, PFK.12, PFK.13, PFK.14, PSK.1, PSK. 3, PSK.5, PSK.6)
  • grundlegende optische Aufbauten selber realisieren
    • aufbauen
    • justieren
    • Funktionsprüfung durchführen
  • naturwissenschaftlich / technische Gesetzmäßigkeiten mit einem optischen Aufbau erforschen
    • Messreihen planen
    • Fehlereinflüsse abschätzen
    • Tauglichkeit des Aufbaus überprüfen
  • selbst gewonnenen Messreihen auswerten
    • Messwerte graphisch darstellen
    • Implizite Größen aus Messwerten math. korrekt berechnen
    • logische Fehler entdecken und bennen
    • Messwerte mittels vorgegebener Formeln simulieren
  • einen nachvollziehbaren Bericht verfassen
    • Aufgabenstellung beschreiben
    • Lösungsansatz darlegen
    • Ergebnisse übersichtlich aufbereitet darstellen
    • Ergebnisse technisch wissenschaftliche diskutieren
  • Komplexe technische Aufgaben im Team bearbeiten
    • Organisieren in Teilaufgaben
    • Messergebnisse diskutieren
    • gegenseitig sinnvoll ergänzen

Exemplarische inhaltliche Operationalisierung

Aufbau und Justage eines Michelson Interferometers; Bestimmung des Abstandes der beiden Spektrallinien der gelben Quecksilber Doppellinie aus der Kontrastfunktion des Michelson-Interferometers;
Messung der Transmissionsfunktion eines Interferenzfilters; interfereometrische Bestimmung der Dicke einer Glasplatte im µm Bereich;
Messung der Spiegelverschiebung aus der Modulation bei Weißlichtinterferenz;

Aufbau einer optischen Anordnung zur Erzeugung eines harmonischen Gitters, durch die Überlagerung zweier ebener Wellen;
Berechung und Messung der Gitterkonstanten;

Erzeugung von polarisiertem Licht; Beobachtung und Diskussion der Interferenzerscheinungen bei Verwendung von polarisiertem Licht;
Qualitative und quantitative Unterscheidung der Fresnel- und Fraunhofer-beugung am Spalt;
Beobachtung, Messung und Vergleich mit theoretischen Werten der Lage der Fresnelschen Zonen; Beobachtung der Beugung am Doppelspalt;

Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften eines Spaltes, Doppelspaltes und Gitters durch Messung der Intensitätsverteilung in der Fourierebene;
Durchführung von Hochpass- und Tielpassfilterung bei Verwendung eines Gitters als Objekt;
Filterung von periodischen Strukturen;