Modulhandbuch MaET2012_Optische Spektroskopie und Anwendungen

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Verantwortlich: Prof. Dr. Michael Gartz

Modul

Anerkennbare Lehrveranstaltung (LV)

• F07 OSA

Organisation

Bezeichnung Lang MaET2012_Optische Spektroskopie und Anwendungen MID MaET2012_OSA MPID WPA

Zuordnung Studiengang MaET2012 Studienrichtung O Wissensgebiete O_FVO

Einordnung ins Curriculum Fachsemester 1-2 Pflicht Wahl O

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

Zeugnistext

de

Optische Spektroskopie und Anwendungen

en

Optical Spectroscopy and Applications

Unterrichtssprache

Deutsch oder Englisch

Modulprüfung

Form der Modulprüfung
sMP	mündliche Prüfung

Beiträge ECTS-CP aus Wissensgebieten
O_FVO	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.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
  • Erste Anwendung ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Schichtdickenmessung mittels optischer Spektroskopie
      • Messprinzip
      • Aufbau
      • Empfindlichkeit
  • Grundlagen der Spektroskopie ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Dispersion
      • Winkeldispersion
      • lineare Dispersion
    • Prisma
      • Strahlengang im Prisma
      • Dispersion des Prismas
    • Gitter
      • Beugung am Gitter
      • Dispersion am Gitter
      • nutzbarer Spektralbereich des Gitters
      • Gittertypen
        • Transmissionsgitter
        • Reflektionsgitter
        • Echelettegitter
        • konkave Gitter
      • Herstellungsverfahren
        • geritzte Gitter
        • holographische Gitter
      • Beugungseffizienz von Gittern
        • Messung
        • Blaze-Technik
    • Vergleich: Gitter und Prisma
  • Aufbau von Spektrometern ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Aufbau des Monochromators
    • Aufbau des Prismenspektrometers
      • Auflösungsvermögen des Prismenspektromters
      • Strahlengang
    • Aufbau des Gitterspektrometers
      • Auflösungsvermögen des Gitterspektromters
      • Strahlengang
    • Störeffekte im Spektrometer
      • Geisterbilder
      • Streulicht
      • Second Order Effekte
    • Strahlungsquellen
      • Eigenschaften von Strahlungsquellen
      • Thermische Quellen
      • Entladungslampen
      • Leuchtdioden
      • Laser
    • Detektoren / Empfänger
      • Eigenschaften von Empfänger
      • Photodiode
      • CCD / CMOS Zeile / Matrix
      • thermische Detektoren
    • Filter
      • Absorptionsfilter
      • Interferenzfilter
    • Kalibrierung von Spektrometern
      • Wellenlängenkalibrierung
      • Intensitätskalibrierung
  • Kenngrößen von Spektrometern ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Spektrales Auflösungsvermögen
    • Beugungseffizienz
    • freier Spektralbereich
  • Kommerzielle Spektrometer ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • UV-Spektrometer
    • VIS-Spektrometer
    • IR- / NIR- Spektrometer
    • Multichannel Spektrometer
  • Fourier Spektroskopie ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Prinzip der Fourier Spektroskopie
    • Fouriertransformation
    • Diskrete Fouriertransformation
    • Fourier Spektrometer
  • Anwendungen ( PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Raman Spektroskopie
      • Grundlagen
      • Anwendungen der Raman Spektroskopie
    • Farbmessung
      • Transmissionsmessung
      • Remissionsmessung
      • Emissionsmessung
    • Schichtdickenmessung
    • Spektrale Element Analyse
    • (weitere Themen nach Auswahl)

Fertigkeiten

• (PFK.5, PFK.6, PFK.7, PFK.8, PFK.9)
  • berechnen
    • der spektralen Auflösung
    • der Winkel- und Linear-Dispersion
    • des freien Spektralbereichs
    • des Arbeitsbereiches beim Chromatischen Längsaberrationssensors
    • der Auflösung beim Lichtschnittsensor
  • auswählen
    • eines Spektrometers für eine spezielle Messaufgabe
    • einer Lichtquelle für die Absorptions- und Transmissionsmessung
  • bestimmen
    • der Transmissionskurve diverser optischer Bauteile
    • des spektralen Reflektionsgrades
    • der Dicke nicht opaker Schichten
  • beurteilen
    • der Empfindlichkeit eines Spektrometers
    • der Verwendbarkeit eines Spektrometers
  • analysieren
    • von Messaufgaben aus dem Bereich der optischen Spektroskopie

Handlungskompetenz demonstrieren

• (PFK.6, PFK.7, PFK.8, PSK.4, )
  • anwenden aktueller Methoden der optischen Spektroskopie für praktische Aufgaben (PFK.7)
  • simulieren eines Messproblems mit Hilfe des Computers (PFK.6)
  • wissenschaftliches Arbeiten demonstrieren (PSK.4)
  • Abstrahieren der wesentlichen Aspekte eines spektroskopischen, optischen Problems (PFK.8)

Exemplarische inhaltliche Operationalisierung

Durch die Behandlung einer konkreten Messaufgabe, der optischen Schichtdickenbestimmung erfolgt eine
Motivation der Studierenden.
Es werden Kenntnisse über Grundlagen der Spektroskopie, des Aufbaus von Spektrometern, wie Prismen-,
Gitter- und Fourier-Spektrometer aufgebaut.
Anhand der Kenngrößen von Spektrometern, spektrales Auflösungsvermögen, Beugungseffizienz und freier Spektralbereich lernen die Studierenden Spektrometersysteme für spezielles Anwendungen zu unterscheiden
und auszuwählen.

Die Studierenden kennen den unterschiedlichen Aufbau und die Anwendungsgebiete verschiedenster Spektrometer.
Die Studierenden sind in der Lage, ein Spektrometer für vorgegebene Messaufgaben auszulegen. Sie haben die Kompetenz, sicher die relevanten Elemente, wie diffraktives optisches Bauteil, Detektor und abbildende Optik auszuwählen. Die Studierenden sind in der Lage, gezielt die Aufgabenstellungen aus dem Bereich der optischen Spektroskopie zu analysieren. Sie sind in der Lage, die erworbenen Kenntnisse zur Auswahl und zum Einsatz von unterschiedlichsten, optischen Spektrometern anzuwenden, um diese verschiedensten, optischen Aufgabenstellungen zu lösen.

Projekt

Form Kompetenznachweis
sMB	mündlicher Ergebnisbericht in Form von Vorträgen

Beitrag zum Modulergebnis
bPA	benotet, 50%

Spezifische Lernziele

Fertigkeiten

• (PFK.1, PFK.2, PFK.5, PFK.7, PFK.9, PSK.4)
  • Spektrometer Aufbauten justieren (PFK.2, PFK.7)
  • optische Spektren aufnehmen, auswerten und dokumentieren (PFK.5, PSK.4)
  • Ergebnisse auf Plausibilität überprüfen
  • Zusammenhänge erkennen und verstehen
  • Auswählen des Spektrometertyps für eine spezielle Messaufgabe (PFK.1, PFK.2, PFK.7)
  • Umrechung der verschiedenen spektralen Darstellungsarten (PFK.5)

Handlungskompetenz demonstrieren

• (PFK.1, PFK.2, PFK.5, PFK.7, PFK.8, PFK.9, PFK.11, PSK.1, PSK.2, PSK.4)
  • analysieren einer spektroskopischen optischen Messaufgabe  (PFK.7, PFK.8, PFK.9)
    • Eigenständig erkannte Messaufgabe analysieren
    • Vorgegebene Messaufgabe analysieren
  • konzipieren eines Lösungansatzes für die analysierte Messaufgabe  (PFK.1, PFK.9)
    • Berücksichtigung der Laborresourcen
    • Berücksichtigung des verfügbaren Zeitkontingentes
  • Präsentation einer Projektskizze (PSK.1, PSK2, PSK.4)
    • Aufgabenstellung beschreiben
    • Lösungsansatz darlegen
  • Milestone-Präsentation zur Überprüfung des Projektfortschrittes (PFK.2, PFK.11, PSK.1, PSK.2, PSK.4)
    • Aufgabenstellung beschreiben
    • Lösungsansatz darlegen
    • Ergebnisse übersichtlich aufbereitet darstellen
    • Ergebnisse technisch wissenschaftliche diskutieren
  • Abschluss-Präsentation mit Darlegung des realisierten Lösungsansatzes (PFK.2, PFK.11, PSK.1, PSK.2, PSK.4)
    • Aufgabenstellung beschreiben
    • Lösungsansatz darlegen
    • Ergebnisse übersichtlich aufbereitet darstellen
    • Ergebnisse technisch wissenschaftliche diskutieren
  • grundlegende Spektrometer Aufbauten selber realisieren (PFK.1, PFK.2, PFK.7, PSK.2)
    • aufbauen
    • justieren
    • Funktionsprüfung durchführen
  • naturwissenschaftlich / technische Gesetzmäßigkeiten mit einem optischen Aufbau erforschen (PFK.5, PFK.9)
    • Messreihen planen
    • Fehlereinflüsse abschätzen
    • Tauglichkeit des Aufbaus überprüfen
  • selbst gewonnenen Messreihen auswerten (PFK.5, PFK.9, PFK.11, PSK.1)
    • Messwerte graphisch darstellen
    • Implizite Größen aus Messwerten math. korrekt berechnen
    • logische Fehler entdecken und bennen
    • Messwerte mittels vorgegebener Formeln simulieren
  • Komplexe technische Aufgaben im Team bearbeiten (PFK.1, PFK.2, PFK.6, PSK.1, PSK.2 )
    • Organisieren in Teilaufgaben
    • Messergebnisse diskutieren
    • gegenseitig sinnvoll ergänzen

Exemplarische inhaltliche Operationalisierung

Die Studierenden bearbeiten im Team von 2, maximal 3, Personen eine Projektaufgabe aus dem Bereich der optischen Spektroskopie.
Bei qualifizierter Fragestellung können auch Vorschläge der Studenten/innen als Projektaufgabe bearbeitet werden.

Beispiele solcher Projektaufgaben sind: Aufbau eines Fourier-Spektrometers mit speziellen Eigenschaften,
Aufbau eines optischen Monochromators,
Ausmessen der Fraunhofer Linien des Sonnenspektrums.

Zu Beginn des Themas stellt das Team in einer Präsentation einen selbst erstellten Zeitplan und eine Projektskizze vor.
Nach Ablauf der halben Zeit, erfolgt die Milestone Präsentation, bei der kritisch die erreichten Teilziele und Arbeitsergebnisse
bewertet werden. Ebenfalls werden die Lösungsvorschläge hinterfragt und  Verbesserungsmöglichkeiten diskutiert.

In der Abschlusspräsentation werden das aufgebaute System und die Messergebnisse vorgestellt und diskutiert.