Lehrveranstaltungen

Inhalt

Die Vorlesung umfasst die Grundlagen der photonischen Quantentechnologien und ihre Anwendungen in Sensorsystemen, Quantenkommunikationsgeräten und Quantenoperationen.

Vorkenntnisse

Quantenphysik

Anrechnung für Modul

Moderne Aspekte der Physik, Ausgewählte Themen moderner Physik

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

Informationen zum Zeitraum und Dozierenden sowie die Veranstaltungsunterlagen erhalten sie im Stud.IP.

In dieser Lehrveranstaltung werden die Studierenden in die grundlegenden Konzepte, Theorien, Berechnungsmethoden sowie Anwendungen der Multiskalen- und Multiphysik-Modellierung vom atomistischen Modell über das mikroskalige Modell, das mesoskalige Modell und schließlich bis zum Kontinuumsmodell eingeführt. Auf diesen Skalen werden verschiedene Felder wie z.B. elektrische, magnetische, thermische, mechanische oder fluidische Felder miteinander gekoppelt. Beispiele für gekoppelte Systeme wie z.B. piezelektrische Struktur, akustische Emission, Wärmeleitung, optischer Wellenleiter usw. werden demonstriert und in den wichtigsten kommerziellen Programmen wie COMSOL und Abaqus gelöst.

Modul und Sprache

Bachelor- und Master-Studierende, Kompetenzbereiche: Physik, Materialwissenschaft, Maschinenbau, Bauingenieurwesen; Die Vorlesung findet in Englischer Sprache statt.

Vorkenntnisse

Numerische Analyse zur Lösung von PDEs und Grundkurse in Mechanik oder Physik

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

Informationen zum Zeitraum und Dozierenden sowie die Veranstaltungsunterlagen erhalten sie im Stud.IP.

Die Nanophotonik untersucht, wie sich Licht auf der Nanoskala verhält und wie man die Eigenschaften des Lichts durch Ausnutzung seiner exotischen Wechselwirkung mit Nanostrukturen beeinflussen kann. Der Kurs konzentriert sich auf die theoretischen Grundlagen nanophotonischer Systeme, wie plasmonische Nanoantennen, dielektrische Resonatoren, Metasurfaces, Metamaterialien und photonische Kristalle. Der Kurs wird durch den Einsatz von Simulationssoftware für die Nanophotonik bereichert.

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage

• die optischen Eigenschaften von Dielektrika/Metallen und die Theorie der Oberflächenplasmonen zu verstehen.
• die Theorie der Lichtstreuung an einer Kugel (Mie-Theorie) und Multipolen zu verstehen und auf generische Nanostrukturen anzuwenden.
• Verständnis von Metaoberflächen/Metamaterialien/photonischen Kristallen und Entwurf solcher Systeme zur Lichtmanipulation.
• Verständnis einiger numerischer Techniken und Anwendung von Simulationssoftware für die Modellierung der Nanophotonik.
  
  

Inhalt des Moduls

• Optische Eigenschaften der Materie, Grundlagen der Plasmonik.
• Lichtstreuung durch metallische und dielektrische Nanostrukturen.
• Metasurface, Metamaterialien und photonische Kristalle.
• Numerische Techniken und Simulationssoftware für nanophotonische Systeme.
• Ausgewählte Themen der aktuellen Forschung.
  
  

Modul und Sprache

M.Sc. Optischen Technologien, M.Sc. Nanotechnologie, M.Sc. Physik, M.Sc. Maschinenbau;
Die Vorlesung findet in Englischer Sprache statt.

Vorkenntnisse

Kenntnisse der elektromagnetischen Theorie (Maxwellsche Gleichungen, Wellenausbreitung usw.).

Literaturempfehlung

• Novotny, L., & Hecht, B. (2012). Principles of Nano-Optics (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press.
• Gaponenko, S. (2010). Introduction to Nanophotonics. Cambridge: Cambridge University Press.
• Maier, S. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, New York.
• Fundamentals of photonics, B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Wiley, 2019.
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Optische Technologien nutzen Licht für Kommunikation, Beleuchtung, Sensorik, Materialverarbeitung und Datenverarbeitung. Dieser Kurs bietet eine Einführung in die optischen Technologien, wobei der Schwerpunkt auf der Theorie liegt, die zum Verständnis und zur Beschreibung moderner optischer Geräte erforderlich ist.

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage 

• die Maxwellschen Gleichungen und die Eigenschaften des Lichts zu verstehen.
• die optischen Eigenschaften von Materie und die Wechselwirkung von Licht mit Materie zu verstehen.
• Reflexion und Transmission zu berechnen.
• Beugung und Interferenz zu verstehen.
• Verstehen der geführten Ausbreitung.
• Verständnis des Funktionsprinzips einer Auswahl optischer Geräte, wie LEDs, Displays, LASER, flache Linsen, Solarzellen usw.
  
  

Inhalt des Moduls

• Maxwellsche Gleichungen und Eigenschaften des Lichts.
• Lichtausbreitung: Reflexion und Brechung.
• Optische Eigenschaften der Materie: Anisotropie, Absorption und Dispersion
• Geführte Ausbreitung: Einführung in Wellenleiter und Faseroptik
• Beispiele für moderne optische Technologien
  
  

Modul und Sprache

B.Sc. Maschinenbau, B.Sc. Produktion und Logistik, B.Sc.  Mechatronik, B.Sc.  Nanotechnologie;
Die Vorlesung findet in Englischer Sprache statt.

Vorkenntnisse

Kenntnisse in Mathematik und Physik (Elektrizität und Magnetismus).

Literaturempfehlung

• Fundamentals of photonics, B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Wiley, 2019.
• Optics, E. Hecht, Pearson, 2017.
• Introduction to Optics I: Interaction of Light with Matter, K. Dolgaleva, Morgan & Claypool Publishers, 2020.
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Inhalt

Bruch ist die Trennung von Material in zwei oder mehr Teile unter äußeren Einwirkungen wie Belastung, Temperaturschock oder Korrosion. Er ist ein allgemeines Phänomen, das in allen Arten von Materialien vorkommt. Zum Beispiel können Risse in Polymeren, Glas, Stahl, Beton, Gestein, Zeremonien usw. entstehen, sich ausbreiten und zusammenwachsen. Das Ziel dieses Kurses ist es, die Mechanismen der Rissentstehung zu verstehen und zu wissen, wie sie zum Versagen des Materials führen, und zu wissen, wie man das Rissverhalten mit den modernsten Methoden für verschiedene Anwendungen vorhersagen kann. Die in dieser Lehrveranstaltung vermittelten Kenntnisse stellen eine wichtige Qualifikation für Studierende der Physik, der Werkstofftechnik und des Maschinenbaus dar.

In diesem Kurs werden die Studierenden mit den grundlegenden Konzepten, Theorien, Berechnungen sowie Anwendungen der Bruchmechanik vertraut gemacht. Es wird mit dem grundlegenden Phänomen des Bruchverhaltens in Werkstoffen begonnen, gefolgt von den analytischen Lösungen linear elastischer Brüche unter verschiedenen Bruchmodi. Experimentelle Methoden zur Charakterisierung der Bruchzähigkeit werden erläutert und das Konzept der Spannungsintensitätsfaktoren sowie aktuelle Methoden zur Modellierung von Brüchen werden vorgestellt. Aktuell verfügbare Software, die zur Bruchmodellierung eingesetzt werden kann, und deren Grenzen werden aufgezeigt und diskutiert. Die Studierenden sollen am Ende des Kurses mit der physikalischen und mechanischen Modellierung und Definition von Bruchproblemen insbesondere in der linear elastischen Bruchmechanik vertraut sein. Sie sind qualifiziert für die Problemerkennung von Brüchen, den Modellaufbau und die Berechnung von Materialien mit Bruch. Am Ende des Kurses sollen die Studierenden in der Lage sein, die geeigneten Kriterien und Modelle bei der Analyse von technischen Bruchproblemen auszuwählen und die Gültigkeit und Grenzen ihrer Ergebnisse zu verstehen. Sie sollen in der Lage sein, den Stand der Literatur in der technischen Bruchmechanik zu verstehen und zu diskutieren und ihre Ergebnisse durch eine mündliche Präsentation eines ausgewählten Problems zu verteidigen.

Vorkenntnisse, Sprache

Kontinuumsmechanik und Berechnungstechniken (FE-Methode)
Die Vorlesung findet in Englischer Sprache statt.

Modul

Mastermodul, Bereich Fortgeschrittene Techniken in der Mechanik

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Ziel dieser Veranstaltung ist die Einführung in die Grundlagen und Verfahren der modernen optischen Messtechnik mit Hilfe von Lasern. Es wird eine Übersicht über das breite Spektrum der eingesetzten Laserstrahlquellen, der zur Verfügung stehenden Lasermessverfahren sowie der typischen Einsatzgebiete und Aufbauten, wie sie in der Praxis bei vielfältigen Mess- und Prüfaufgaben in Forschung, Entwicklung und Produktion Anwendung finden, vermittelt.

Im Rahmen der Übung werden theoretische Aufgaben anhand von exemplarischen Beispielen gerechnet, Vertiefungen des erlernten Stoffes durchgeführt sowie einige Messprinzipien unter Laborbedingungen aufgebaut und getestet.

Inhalt

• Physikalische Grundlagen
• Optische Elemente/Registrierverfahren
• Laser für messtechnische Aufgaben
• Lasertriangulation, Laserinterferometrie
• Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessverfahren
• Laser-Spektrometrie, Holographische Messverfahren, Ultrakurzpulsmesstechnik
• Anwendungen in der Mess- und Prüftechnik
  
  

Vorkenntnisse

Grundlagen der Messtechnik, Grundkenntnisse der Laserphysik und Lasertechnik

Literaturempfehlung

• A. Donges, R. Noll, Lasermesstechnik, Hüthig Verl.; M. Hugenschmidt, Lasermesstechnik, Springer Verl.
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Ziel dieser Veranstaltung ist die Einführung in die Grundlagen und Methoden der Laserspektroskopie für Anwendungen im Bereich der Lebenswissenschaften. Neben den Grundlagen der Laserspektroskopie-Verfahren, die heute in vielen Bereichen der modernen Grundlagenforschung und ihren praktischen Anwendunen in den Lebenswissenschaften wie etwa der Biologie, der Chemie und der Medizin zum Einsatz kommen, wird eine Übersicht über moderne Messaufbauten und –methoden vermittelt. Dabei wird die gesamte Breite der Anwendungen abgedeckt. Im Rahmen der Übung werden theoretische Grundlagen erarbeitet, exemplarische Aufgaben gerechnet und Vertiefungen des erlernten Stoffes durchgeführt. 

Vorkenntnisse

Physikalische Grundlagen, Optische Elemente und Messtechniken, Laser für spektroskopische Anwendungen, Laserinterferometrie, Laser-Spektrometrie und Laser-Spektroskopie, Anwendungen von (Ultra)Kurzpulslasern

Literaturempfehlung

• Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie 1: Grundlagen (Springer), 2011
• Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie 2: Experimentelle Techniken (Springer),  2012
• Jürgen Eichler, Hans Joachim Eichler: Laser - Bauformen Strahlführung Anwendungen (Springer), 2006
• Thomas Engel: Quantum Chemistry and Spectroscopy (Pearson), 2013
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Optische Geräte, die auf Mikro- und Nanostrukturen basieren, ersetzen aufgrund ihrer geringen Abmessungen und ihrer einfachen Integration zunehmend herkömmliche optische Systeme (wie z. B. sperrige Linsen). Dieser Kurs vermittelt die grundlegenden Kenntnisse der Mikro- und Nano-Optik (oder Nanophotonik), um solche miniaturisierten optischen Systeme zu verstehen und zu entwerfen, sowie Beispiele für ihre Anwendungen.

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage 

• die Maxwellschen Gleichungen zu verstehen und die Lichtausbreitung zu beschreiben.
• die optischen Eigenschaften von Materie und die Wechselwirkung von Licht mit Materie zu verstehen.
• die wichtigsten Kategorien von Mikro- und Nanostrukturen zu kennen und ihre optischen Eigenschaften zu beschreiben.
• simulieren ein einfaches mikro- oder nanostrukturiertes System und verstehen seine optischen Eigenschaften.
  
  

Inhalt des Moduls

• Maxwellsche Gleichung, Wellengleichung, Reflexion und Brechung
• Optische Eigenschaften von Metallen und Dielektrika, Grundlagen der Plasmonik
• Metalloberflächen, photonische Kristalle, Beugungsgitter, Mikrolinsen, Nano-Filme.
• Labortätigkeit zur Verwendung optischer Simulationssoftware
  
  

Vorkenntnisse

Mathematik und Physik (erstes Studienjahr)

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Die Vorlesung vermittelt Grundlagen und Messverfahren in der optischen Messtechnik. Zu Begin der Veranstaltung werden strahlen- sowie wellenoptische Grundlagen wiederholt, die zum Verständnis optischer Messverfahren benötigt werden. Im Verlauf der Vorlesung werden optische Messverfahren zur Topographie-, Abstands-, Schwingungs- und Verformungsmessung sowie faseroptische Sensoren erläutert, die sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Praxis eingesetzt werden. Den Schwerpunkt bilden dabei die Interferometrie, Holographie, Laser Doppler Vibrometrie und konfokale Mikroskopie sowie Optische Kohärenztomographie und Methoden der Nahfeldmikroskopie. Zusätzlich werden die Rasterkraftmikroskopie,Rasterelektronenmikroskopie sowie Computertomographie behandelt. Es werden anschließend Methoden zur optischen Charakterisierung und Kalibrierung optischer Verfahren eingeführt. Zusätzlich sind in der Messtechnik häufig verwendete optische Bauelemente, wie CCD und CMOS Kameras oder Laserlichtquellen, Gegenstand der Veranstaltung.

Vorkenntnisse

Grundlagen der Messtechnik

Literaturempfehlung

• Born, Wolf. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light (Cambridge University Press), 1999
• Demtröder: Experimentalphysik (Springer), 2013
• Saleh, Teich: Grundlagen der Photonik (Wiley), 2013
• Lauterborn, Kurz: Coherent Optics (Springer), 2003
• Goodman: Introduction to Fourier Optics (Roberts), 2016
• Hugenschmidt: Lasermesstechnik (Springer), 2007
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Inhalt

Das Seminar wird einen tieferen Einblick in aktuelle Aspekte auf dem Gebiet der integrierten Quantenoptik geben. Die Themen umfassen unter anderem

• integrierte Photonenquellen,
• passive und aktive integrierte Elemente,
• nicht-klassische Lichtdetektoren,
• photonische Quantenanwendungen usw.

Die Themen werden auf der Grundlage von Studentenpräsentationen über aktuelle wissenschaftliche Literatur diskutiert.

Vorkenntnisse

Quantenphysik, Kohörente Optik

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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Inhalt

Das Seminar konzentriert sich auf fortgeschrittene Themen der Nanophotonik und Nanooptik. Den Studierenden wird zu Beginn des Semesters ein Thema zugewiesen, und nach einem Monat beginnen sie mit der Präsentation ihrer Ergebnisse. Die Arbeit besteht aus einer Literaturübersicht. Ziel ist es, die Studierenden mit den aktuellen Forschungsthemen auf dem Gebiet in Kontakt zu bringen. Während der einmonatigen Vorbereitungszeit werden bei Bedarf Hilfestellungen und Erklärungen gegeben.

Vorkenntnisse

Wellenoptik und Photonik

Literaturempfehlung

• Novotny, L., & Hecht, B. (2012). Principles of Nano-Optics (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press.
• Gaponenko, S. (2010). Introduction to Nanophotonics. Cambridge: Cambridge University Press.
• Maier, S. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, New York.
  
  

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

Informationen zum Zeitraum und Dozierenden sowie die Veranstaltungsunterlagen erhalten sie im Stud.IP.

Der Fokus des Seminars liegt auf numerischen Verfahren zur Berechnung von Lichtverteilungen in optischen Medien. Thematisiert werden Spektral- und Pseudospektralmethoden, Runge-Kutta- und Split-Step-Integration, Fast-Fourier Transformation (FFT),  Monte-Carlo (MC) Simulation, Finite Difference Time Domain (FDTD), Finite Element Method (FEM), Ray Tracing, Beam-propagation methods (BPM) sowie die Parallelisierung mit MPI.

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

Informationen zum Zeitraum und Dozierenden sowie die Veranstaltungsunterlagen erhalten sie im Stud.IP.

Inhalt

Diese Tutorials zielen darauf ab, aktuelle Lösungen für Photonik-Simulationen auf der Grundlage von Wellenoptik und Multiphysik-Ansätzen vorzustellen. Es werden verschiedene Werkzeuge der kommerziellen Software Ansys Lumerical für Anwendungen in der integrierten Optik, Nanophotonik, optischen Fasern und Wellenleitern, elektro-optischen und thermo-optischen Systemen demonstriert. Die Integration mit Matlab/Python wird ebenfalls demonstriert, ebenso wie Lösungen für das Postprocessing.

Vorkenntnisse

Elektromagnetischer Theorie (Maxwellsche Gleichungen, Wellenausbreitung usw.)

Anmeldung, Zeiten und Unterlagen

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