QuFabLab-Werkstatt-Bericht

Prof. Dr. Michael Schäfer July 1, 2023

Als Quanten Technologie FabLab haben wir uns vorgenommen Möglichkeiten zu schaffen, um "Do-It-Yourself" Quantenphysik und Quantensensorik der zweiten Generation zu begreifen.

Diese Möglichkeiten sollen "Hands-on", preiswert, skalierbar und möglichst als Open Source Hardware für viele Einsatzorte und viele Gruppen gestaltet sein.

Erstellung von Filtern, Beugungsgittern & Co.

Am Anfang von Quantentechnologieworkshops, insbesondere mit größeren Gruppen, steht oft die Frage wo wir preiswert das benötigte Material herbekommen und wie wir dies möglichst allen Teilnehmer:innen zur Verfügung stellen können. Hier haben wir jetzt glaslose Diarahmen genutzt, eine Schablone zum Schneiden von Filtern etc. vorbereitet und mit den Teilnehmerinnen Rotfilter (für die Diamant-Störstellen-Versuche), Beugungsfilter mit 1000 Linien/Zoll, Projektionsfolien (für Spektroskopie) und Polfilter hergestellt. Außerdem haben wir ein Haar im Rahmen platziert, um mittels Interferenz den Durchmesser des Haares zu bestimmen.

Filter

Experimente zur Einstimmung

Der Dualismus des Lichts, welches gleichzeitig Teilcheneigenschaften als sogenannte Photonen und Welleneigenschaften aufweist, bleibt sowohl faszinierend wie unbegreiflich. Beugungsexperimente am Einfach- und Doppelspalt, genau so wie die Beugung des Lichts an einem Haar, welches wir hier mit einem simplen Aufbau realisiert haben,rufen Erstaunen hervor. Im folgenden Bild befindet sich links ein Diarahmen in dem das Haar fixiert wurde und rechts ein grüner Laserpointer, der das Haar beleuchtet und an der Wand ein Interferenzmuster erzeugt (siehe Bild ganz oben).
Bei 3,69 m Abstand des Haares zur Wand, ergab sich ein Abstand der beiden ersten Maxima (Hellzonen) des Interferenzmusters von 4,5 cm. Mit dem Wissen, dass die Wellenlänge des Lichtes 532 nm beträgt, lässt sich hiermit mittels Dreisatzes der Durchmesser des Haares zu etwa 0,09 mm bestimmen.

haar_interferenz

interferenz_nahaufnahme


Anspruchsvollere Experimente mit DIY Würfelsystemen

Normalerweise werden optische Experimente mit teuren und hochwertigen Aufbauten realisiert, um die notwendigen Genauigkeiten und einen stabilen Aufbau zu erreichen. Ein übliches Experiment ist das Michelson-Interferometer mit dem kohärentes Laserlicht mit sich selbst zur Interferenz gebracht wird.
Hier wurde nun das UC2-System genutzt, um mit einem grünen Halbleiterlaser, einem halbdurchlässigem Spiegel, zwei normalen kalibrierbaren Spiegeln und zwei Linsen ein Michelson-Interferometer für unter 200€ herzustellen.
Das Interferenzbild, welches stabil bleibt, auch wenn der Aufbau etransportiert wird, demonstriert, dass das System auch für solche Aufbauten geeignet ist.

Michelson Interferometer

Fluoreszenz von Olivenöl

Als Veranschaulichung von Fluoreszenz und als Einstieg in den Begriff, um auf den Effekt der Emission von rotem Licht durch negativ geladenen NV-Störstellen in Diamant vorzubereiten, kann Olivenöl genutzt werden.
Wird ein grüner Laserstrahl eines Laserpointers in Olivenöl gerichtet, so leuchtet das Olivenöl rot entlang des Laserstrahls auf. Noch besser ist dies mit den selbst erstellten Rotfiltern zu sehen. In der Praxis kann dieses Verfahren zur Qualitätsbestimmung von Olivenöl genutzt werden.

Fluoreszenz von Olivenöl


Beugung am Gitter

Elektromagnetische Wellen sind nur im Wellenlängenbereich von etwa 400 - 800 nm für das menschliche Auge sichtbar. Die unterschiedlichen Wellenlängen sehen wir als unterschiedliche Farben. Mit einem Prisma oder mit einem optischen Gitter lässt sich Licht aufgrund seiner Wellenlänge "zerlegen". Wir haben in diesem Experiment ein Gitter mit 500 Linien / Zoll genutzt, um das Licht einer weißen LED in sein Spektrum zu zerlegen und anzuzeigen.

Spektrum einer weißen Led

Eingesetzt haben wir hier eine Mischung unserer Würfelsysteme, sowohl des UC2- als auch des Morph3DBot-Systems. Vorne links ist ein Diarahmenhalter angebracht. Dieser enthält eine matte Projektionsfolie. Vor dem roten Würfel ist ein Diahalter mit einer Gitterfolie (500 Linie/Zoll), davor ein System aus 2 Linsen, und einer Blende, welches das Licht der weißen Led auf das Gitter projiziert.



DIY-Laserschutzbrillen für 1 mW Grünlaser-Experimente

Kleinserienproduktion mit dem Lasercutter und eingeklebter Farbfilterfolie. Ausreichend zum sicheren Arbeiten mit 1mW Lasern.

Laseraschutzbrillen


Laserschutzbrille in Aktion



Optische Messung von Magnetfeldern

Unser Low-Cost-DIY-Aufbau zur Messung von Magnetfeldern ist vorbereitet. Hier das Ergebnis des mit einem Fotodetektor nach der Analog/Digitalwandlung auf dem Mikrocontrollerbildschirm dargestelltes Signal.
Nach rechts ist die Zeit aufgetragen, nach oben die Lichtstärke des roten Fluoreszenzsignals. Bei Anäherung eines Magneten sinkt die Signalstärke (Quenchung). Das Bild zeigt eine Signalaufnahme über mehrere Sekunden. Hierbei wurde ein Magnet angenähert und wieder entfernt, weswegen in der Mitte, bei maximaler Magnetfeldstärke, das kleinste Signal gemessen wurde.

quenching_signal