Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtimpulse für die Generation Hoher Harmonischer Strahlung

In atomic and molecular physics experiments extremely short laser pulses, mostly in the sub ten-femtosecond range, are of strong interest. The shorter the pulses are and correspondingly, with growing bandwidth, the more important dispersion control and management becomes. In this diploma thesis a new setup for spectral broadening involving self phase modulation via lamentation and subsequent recompression is presented. Moreover pulse characterization through a dedicated interferometric autocorrelation setup with nearly zero dispersion has been achieved. The initial pulses reveal a duration of 32 fs at a repetition rate of 8000 Hz and a single pulse energy of about 1 mJ. An extensive investigation of important quantities, in uencing the lamentation process, like pressure, focussing parameters and the interaction length was performed. Their optimization yielded a broadening of the fundamental spectra of about a factor of 5 supporting lightpulses down to a fourierlimited duration of 4 fs with 1.5 optical cycles. These values, as well as the appearance of smaller pre- and postpulse structures were con rmed by autocorrelation measurements of the pulses. Even though the full reconstruction of the time dependent electric eld of the pulses is impossible via autocorrelation, one can retrieve quantitative information about the pulse chirp by simulating the complete autocorrelation signal, including the second-order dispersion parameter

Statische und dynamische Charakterisierung einer Planck-Waage

Inhalt dieser Arbeit sind Untersuchungen zu den statischen und insbesondere dynamischen Eigenschaften von Wägesystemen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK). Für diesen Waagentyp ergeben sich aufgrund der im Jahr 2019 erfolgten Neudefinition des Kilogramm neue Anwendungsfelder, in denen die Definition in Form einer Kibble-Waage direkt in einem Kraftmess- oder Wägesystem umgesetzt wird. Eine derartige Entwicklung, die als Tischgerät konzipiert ist und daher auch als ”table top Kibble Balance” bezeichnet werden kann, stellt die Planck-Waage dar, die in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und dem Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) der TU Ilmenau auf Basis von kommerziellen EMK-Wägezellen umgesetzt wurde. Aufgrund der prinzipbedingten dynamischen Anregung der Wägezelle und der Notwendigkeit einer rückführbaren Messung der beteiligten elektrischen Größen ergeben sich neuartige Fragestellungen bei der Charakterisierung und metrologischen Bewertung von EMK-Wägezellen. Einen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Unsicherheit haben Winkelschwingungen bei der dynamischen Anregung so wie die relative Ausrichtung der Messachsen der Waage zu derjenigen des verwendeten Interferometers. Aufbauend auf Erfahrungen aus Untersuchungen an dynamischen EMK-Wägesystemen werden die Eigenschaften der sogenannten PB2-Variante der Planck-Waage untersucht und deren Auswirkungen auf die Unsicherheit der Massebestimmung analysiert. Dazu kommen verschiedene optische und elektrische Messsysteme zum Einsatz, deren Unsicherheitsbeiträge wiederum selbst berücksichtigt werden. Weiterhin wird ein Messablauf vorgestellt, der die Korrektion von Drifteffekten und die Minimierung des Spulenstromeffekts ermöglicht. Nach dem derzeitigen Stand können mit dem PB2-System Massebestimmungen mit einer relativen Unsicherheit von bis zu 2,5 × 10^-6 in einem Messbereich von 1 mg bis 100 g erreicht werden. Aus den durchgeführten Untersuchungen können jedoch Ansatzpunkte abgeleitet werden, die eine weitere Reduzierung der Unsicherheiten in folgenden Entwicklungen der Planck-Waage ermöglichen.This work presents investigations on the static and especially dynamic properties of weighing systems using the principle of electromagnetic force compensation (EMFC). This type of balances can be used in new fields of applications that directly utilize the redefinition of the Kilogram, which is valid since the year 2019, in weighing or force measurement instruments. The Planck-Balance, which is a table top realization of the principle of a Kibble balance, is such an instrument based on a commercial EMFC load cell and was developed in a joint research project of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of TU Ilmenau. Due to dynamic excitation, which is necessary because of the working principle, and the necessity of traceable measurements of the involved electrical quantities, new questions arise that relate to the identification of the dynamic and metrological characteristics of EMFC load cells. For instance, tilt oscillations during the dynamic excitation and the misalignment of the measurement axis of the load cell and the used interferometer are identified to have a significant influence on the achievable measurement uncertainties. Based on the experience in the investigation of dynamic EMFC load cells, the properties and their influence on the uncertainty of the mass determination process with the PB2 variant of the Planck-Balance are analyzed. For this purpose, several optical and electrical measurement systems are incorporated, whose contributions to the measurement uncertainty are evaluated. Furthermore, a measurement scheme is presented that allows the correction of drift phenomena as well as minimization of the coil current effect. With the current PB2 system, mass determinations in a measurement range of 1 mg to 100 g were demonstrated that can be done with a relative measurement uncertainty of up to 2.5 × 10−6. However, improved design characteristics can be derived from the presented investigations that allow a further reduction of the uncertainties in ongoing developments of the Planck-Balance

Können IBE experimentelle Fertigkeiten vermitteln? - Entwicklung eines prozessorientierten Analyseinstrumentes -

Für eine Interventionsstudie zur Lernwirksamkeit von interaktiven Bildschirmexperimenten bei der Vermittlung experimenteller Fertigkeiten am Beispiel des Versuchs Photoeffekt wird ein Erhebungsinstrument benötigt, mit dessen Hilfe der Prozess des Aufbaus eines optischen Experiments erfasst werden kann. Dabei wird unter dem Aufbau eines optischen Experiments die Anordnung und Justage der optischen Bauelemente verstanden. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass der Entstehungsprozess von Versuchsberichten als produktorientiertes Ergebnis eines physikalischen Versuchs mit Smartpens dokumentiert werden kann. Allerdings wird der Prozess der Justage der Bauelemente bisher nur über die akustische Aufzeichnung der Probandengespräche und damit nur lückenhaft zugänglich. Als Ergänzung zum herkömmlichen Versuchsbericht wurden daher auf die Nutzung von Smartpens abgestimmte, vorstrukturierte Verlaufsprotokolle entwickelt, die typische Abläufe während des Aufbau- und Justageprozesses aus Probandenperspektive dokumentieren sollen. Zudem wird ein objektseitiges Erhebungsinstrument zur Aufzeichnung der prozeduralen Objektdaten der optischen Bauelemente (Position und Einstellung als Funktion der Zeit) entwickelt. In diesem Artikel werden der theoretische Hintergrund der Untersuchungen, die Verortung bei anderen Modellen experimenteller Fertigkeit, das Design der Erhebungsinstrumente sowie exemplarisch erste Ergebnisse der Analyse von Verlaufsprotokollen (N=71) präsentiert

Aufbau, Charakterisierung und Inbetriebnahme des 1.4 THz Kanals des Heterodyn-Empfängers GREAT

This thesis describes the characterisation and commissioning of the heterodyne receiver "German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies" (GREAT) aboard of the airborne "Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy" (SOFIA). GREAT is a modular dual-channel-receiver designed for frequencies between 1.25 and 4.7 THz. Currently three single-pixel frequency channels are available. A fourth one is currently under construction and two multi-pixel systems are planned for 2014. In the frequency range observable with GREAT one can find a lot of transitions of molecules, such as rotational transitions of CO, and of atoms and ions, e.g the fine structure lines of C+ and O. Line emission of these transitions is often observed in photon-dominated regions (PDR) in space. These regions form at the edges of denser clouds of the interstellar medium which are illuminated by strong UV fields, e.g. of nearby OB-""stars. The UV-radiation heats up the gas and dust of the cloud and dissociates and ionizes the gas particles. These reactions depend on the intensity of the UV field, which drops down with increasing depth inside the clouds, and the density, which rises, leading to a characteristic stratification of the ions, atoms and molecules. After two short introductory chapters describing astronomy and receivers in the THz regime and especially the GREAT receiver and the SOFIA observatory, this thesis starts with a description of the build-up of the local oscillator (LO) for the L#1-channel (1.25-1.5 THz) of GREAT. This includes the design of a cross-channel LO housing and its certification by NASA and FAA. Then the used frequency multiplier chains, manufactured by Virginia Diodes Inc., are characterised. Afterwards the developed control electronics and security circuits for these chains are presented. The next chapter is dedicated to the commissioning of GREAT on SOFIA. GREAT's configuration during the first flights consisted of the L#1- and L#2-channel (1.82-1.92 THz). A short note on the adjustment of the cross-channel common optics is given. Then, the text presents a description of the developed alignment procedures and methods to derive the positions of the GREAT beam in SOFIA's focal plane and on its sub-reflector. Final values for pointing, telescope coupling and co-alignment between the two channels measured before the first and second flight series (April and July 2011) are given. The sensitivity and stability of the GREAT system are investigated. Noise temperatures of the L#1-channel lie in the range of 1200-1400 K, for the L#2-channel in the range of 1300-1800 K. The spectroscopic Allan times are above 100 seconds. The fifth chapter of this thesis presents results of the Cepheus B (CepB) project, one of the first observed with GREAT on SOFIA. CepB is part of a giant molecular cloud and shows sequential star formation. The UV radiation of a nearby OB star cluster illuminates the cloud surface, thereby creating several PDRs and possibly triggering new star formation processes. The existence of several embedded stars, including a luminous B-star, inside CepB is known. The aim of this project is to measure the dynamics of the triggering of star formation by UV radiation. [CII] and high rotational transitions of CO are used to trace the hot gas in CepB. A velocity resolved map containing the embedded star, two PDRs and two dense clumps was observed. Integrated-intensity maps are presented showing emission which is consistent with previous radio continuum and 13CO observations. A global velocity gradient across the map is visible in the velocity channel maps of [CII]. A value of (3.6 +/- 0.6) * 10^{-3} km/s*arcsec^{-1} was calculated which is consistent with former observations of Beuther et al. (2000). [CII] and CO(11-10) observations show a localized inversion of this gradient between the positions of two CO(11-10) emission maxima. Three possible scenarios are proposed for this discovery and further high resolution CO and [NII] observations to clarify this situation are suggested. Together with 13CO observations of Mookerjea et al. (2006), a clear stratification, consistent with the expected emission pattern of a simple 1-dimensional PDR, in a region of the map near the embedded star was observed. The embedded star is found to be the source of the UV radiation creating this PDR. The distances between the emission maxima were measured and compared with model calculations. The results are consistent with Mookerjea's and constrain the surface density of the PDR to 10^4 - 10^6 cm^{-3}

Diagnostik experimenteller Strategien: Validierung eines prozessorientierten Instruments

Bei der Untersuchung experimenteller Prozesse standen in der Vergangenheit Prozessaspekte während der Durchführung von Realexperimenten nur selten im Mittelpunkt. Einer der Hauptgründe hierfür liegt darin, dass bislang meist Instrumente fehlten, um die während dieser Phase stattfindenden experimentellen Handlungsabfolgen in geeigneter Weise abbilden zu können. Deshalb wurde exemplarisch für die optische Justage bei einem Versuch zum Photoeffekt, den Studierende im Rahmen eines Physikpraktikums an der RWTH Aachen absolvieren, ein vorstrukturiertes Smartpen-Verlaufsprotokoll entwickelt. In diesem sind alle im vorliegenden Experimentierraum möglichen Handlungen abgebildet und in Schritte gegliedert. Durch schrittweises Ankreuzen solcher Handlungen dokumentieren die Studierenden bei diesem probandenfokussierten Ansatz ihre Justage mit dem Protokoll. Durch die Datenaufnahme mit Smartpens ist im Anschluss die zeitliche Schrittabfolge rekonstruierbar. Die so erhobenen Handlungsabfolgen können dann die Grundlage für eine Untersuchung der strategischen Aspekte bilden, die im Kontext der experimentellen Aufgabe auftreten. Für eine konvergente Validierung des entwickelten Smartpen-Verlaufsprotokolls werden die gewonnenen Schrittabfolgen mit denen aus einem objektfokussierten Ansatz verglichen, bei dem dieselben Handlungen indirekt mittels einer am Aufbau implementierten Sensorik erfasst werden. Im Beitrag wird ein erster Einblick in den Vergleich der beiden Datensätze aus probanden- und objektfokussierter Erfassung gegeben

UNTERSUCHUNG DES MEHRFACHGESTREUTEN LICHTES MIT HILFE DER 3D - KREUZKORRELATIONSAPPARATUR.

In very cloudy systems it is often difficult to analyse the light scattering data because of multiple scattered light contributions. Cross correlation technique allows to eliminate the multiple scattered light from one side and to determine it´s value from another side. Two types of latex solutions of different concentrations were investigated within this work. The influence of scattering angle, position in the sample, detector non-linearity an static and dynamic light scattering was examined. For all samples intensity and correlation functions were calculated and analysed.For comparison of light scattering data from 3D- cross correlation technique and from one- beam cross correlation technique the critical solution of Polystyrole in Cyclohexane was investigated. The results show a slight deviation of experimental values from theoretical. This deviations are lower for measurements with 3D- cross correlation technique

Diagnostik experimenteller Strategien: Validierung eines prozessorientierten Instruments

Bei der Untersuchung experimenteller Prozesse standen in der Vergangenheit Prozessaspekte während der Durchführung von Realexperimenten nur selten im Mittelpunkt. Einer der Hauptgründe hierfür liegt darin, dass bislang meist Instrumente fehlten, um die während dieser Phase stattfindenden experimentellen Handlungsabfolgen in geeigneter Weise abbilden zu können. Deshalb wurde exemplarisch für die optische Justage bei einem Versuch zum Photoeffekt, den Studierende im Rahmen eines Physikpraktikums an der RWTH Aachen absolvieren, ein vorstrukturiertes Smartpen-Verlaufsprotokoll entwickelt. In diesem sind alle im vorliegenden Experimentierraum möglichen Handlungen abgebildet und in Schritte gegliedert. Durch schrittweises Ankreuzen solcher Handlungen dokumentieren die Studierenden bei diesem probandenfokussierten Ansatz ihre Justage mit dem Protokoll. Durch die Datenaufnahme mit Smartpens ist im Anschluss die zeitliche Schrittabfolge rekonstruierbar. Die so erhobenen Handlungsabfolgen können dann die Grundlage für eine Untersuchung der strategischen Aspekte bilden, die im Kontext der experimentellen Aufgabe auftreten. Für eine konvergente Validierung des entwickelten Smartpen-Verlaufsprotokolls werden die gewonnenen Schrittabfolgen mit denen aus einem objektfokussierten Ansatz verglichen, bei dem dieselben Handlungen indirekt mittels einer am Aufbau implementierten Sensorik erfasst werden. Im Beitrag wird ein erster Einblick in den Vergleich der beiden Datensätze aus probanden- und objektfokussierter Erfassung gegeben

Können IBE experimentelle Fertigkeiten vermitteln? - Entwicklung eines prozessorientierten Analyseinstrumentes -

Für eine Interventionsstudie zur Lernwirksamkeit von interaktiven Bildschirmexperimenten bei der Vermittlung experimenteller Fertigkeiten am Beispiel des Versuchs Photoeffekt wird ein Erhebungsinstrument benötigt, mit dessen Hilfe der Prozess des Aufbaus eines optischen Experiments erfasst werden kann. Dabei wird unter dem Aufbau eines optischen Experiments die Anordnung und Justage der optischen Bauelemente verstanden. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass der Entstehungsprozess von Versuchsberichten als produktorientiertes Ergebnis eines physikalischen Versuchs mit Smartpens dokumentiert werden kann. Allerdings wird der Prozess der Justage der Bauelemente bisher nur über die akustische Aufzeichnung der Probandengespräche und damit nur lückenhaft zugänglich. Als Ergänzung zum herkömmlichen Versuchsbericht wurden daher auf die Nutzung von Smartpens abgestimmte, vorstrukturierte Verlaufsprotokolle entwickelt, die typische Abläufe während des Aufbau- und Justageprozesses aus Probandenperspektive dokumentieren sollen. Zudem wird ein objektseitiges Erhebungsinstrument zur Aufzeichnung der prozeduralen Objektdaten der optischen Bauelemente (Position und Einstellung als Funktion der Zeit) entwickelt. In diesem Artikel werden der theoretische Hintergrund der Untersuchungen, die Verortung bei anderen Modellen experimenteller Fertigkeit, das Design der Erhebungsinstrumente sowie exemplarisch erste Ergebnisse der Analyse von Verlaufsprotokollen (N=71) präsentiert

Design, Aufbau, Test und Integration der Empfänger-Optik des Stratospheric Terahertz Observatory

Als Interstellares Medium (ISM) werden die Gas- und Staubwolken bezeichnet, die sich innerhalb einer Galaxie zwischen den Sternen befinden. Im ISM findet die Sternentstehung und -entwicklung in einer Galaxie statt. Es trägt damit zur Evolution einer Galaxie bei. Das “Stratospheric Terahertz Observatory“ (STO) ist ein ballongestütztes Observatorium gewesen, dessen Aufgabe in der großflächigen Kartierung von ionisiertem Kohlenstoff, C+, und ionisiertem Stickstoff, N+, im ISM der Milchstraße bestanden hat. In Zusammenarbeit zwischen der University of Arizona, dem Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem Applied Physics Laboratory (APL), dem I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln und weiteren Partnern ist STO geplant, aufgebaut und im Januar 2012 von der Antarktis aus von einem Helium-Ballon in die Stratosphäre gezogen worden. Zur Detektion von N+ und C+ werden Feinstruktur-Übergänge der Ionen bei 1.4 THz und 1.9 THz beobachtet. Dazu ist ein Multipixel-Zweikanal-Heterodyn-Empfänger mit hoher spektraler Auflösung und jeweils vier Detektoren pro Frequenz aufgebaut worden. Die vorliegende Dissertation präsentiert das Design, den Aufbau, den Test und die Integration der Optik des STO-Heterodyn-Empfängers. Die Grundlage der Optik ist pro Frequenz ein Array-Diplexer, der auf einem doppelt-konfokalen Ring-Fabry-Perot-Interferometer (tcFPI) basiert. Der Array-Diplexer überlagert gemäß Heterodynprinzip das vom Teleskop eingefangene, astronomische Signal mit einem monochromatischen Referenzsignal, das von einem Lokaloszillator erzeugt wird. Die weitere Optik stellt die Kopplung des Teleskops, der Lokaloszillatoren und der Detektoren an die Diplexer her. In meiner Diplomarbeit ist ein 800 GHz-tcFPI entstanden und erfolgreich getestet worden. Hier sind für STO ein 1.4 THz-tcFPI und ein 1.9 THz-tcFPI entworfen worden. Das 1.9 THz-tcFPI ist in einem Labor-Heterodyn-Empfänger vollständig charakterisiert worden. Die Messungen haben zu einer Empfänger-Rauschtemperatur Trec von ungefähr 1000K geführt. Die beiden tcFPIs sind in der STO-Empfänger-Optik als Array-Diplexer implementiert worden. Das Optik-Design ist unter Berücksichtigung des Rahmens optimiert worden, der der Optik durch den Aufbau von STO und durch seine übrigen Komponenten gesetzt worden ist. Nach ihrer Herstellung ist die Empfänger-Optik in Vorbereitung auf den Start im STO-Instrument integriert und ihre Funktionsweise getestet worden. Dabei sind Probleme festgestellt worden, die im Verlauf der Vorbereitungen verringert worden sind. Zum Abschluss der Start-Vorbereitungen sind Empfänger-Rauschtemperaturen Trec von ungefähr 6000K für den 1.9 THz-Kanal und Trec von ungefähr 10000K für den 1.4 THz-Kanal gemessen worden. Aufgrund einer Vielzahl von Problemen ist der darauffolgende Observationsflug von STO ohne nennenswerte, astronomische Resultate geblieben. Das tcFPI steht zum Einsatz als Array-Diplexer in zukünftigen, astrono-mischen Instrumenten, wie zum Beispiel upGREAT, bereit