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myphotonics

Das Projekt myphotonics beschäftigt sich seit 2013 mit der Konstruktion von optomechanischen Komponenten und der Umsetzung von optischen Experimenten mit Hilfe von unterschiedlichen Baukastensystemen wie z.B. LEGO® und Fischertechnik®. Ziel ist es, die schweren und kostenintensiven mechanischen Bauteile in der Photonik durch leichte und kostengünstige Bausteine zu ersetzen.

Bauteilelisten und Anleitungen der entstanden Komponenten werden zum Nachbau lizenzkostenfrei zur Verfügung gestellt.

Optik und Photonik mit LEGO®-Bausteinen

Michelson-Interferometer

Mit einem Michelson-Interferometer ist es möglich, kleinste Längenunterschiede (z.B. die thermische Ausdehnung einer Metallplatte) zu messen. Hierzu wird das Phänomen der Interferenz ausgenutzt, welches nur bei kohärentem Licht beobachtet werden kann. Das Besondere am Michelson-Interferometer ist, dass der Strahlteiler und der teildurchlässige Spiegel, in dem die Teilstrahlen wieder vereint werden und zur Interferenz gebracht werden, derselbe ist.

Um ein solches Interferenz-Experiment, welches eine Genauigkeit von ca. 130 nm besitzt, zu verwirklichen, benötigt man stabile und fein justierbare Spiegelhalter. Mit LEGO® wurde eine Plattform gefunden, aus der Spiegelhalter konstruiert werden konnten, welche die genannten Voraussetzungen mitbringen.

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Mach-Zehnder-Interferometer

In einem Mach-Zehnder-Interferometer wird ein Laserstrahl zunächst durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und an einem zweiten Strahlteiler wieder vereint. Das Laserlicht durchläuft somit zwei unterschiedliche Wege und überlagert sich zur Interferenz.

Dieses Interferometer kann aufgrund seiner Übersichtlichkeit optimal für ein "Welcher-Weg"-Experiment genutzt werden. Dank der Flexibilität der LEGO®-Bausteine ist es möglich aus einem Michelson-Interferometer ein Mach-Zehnder-Interferometer zu erstellen. Es wird lediglich ein zweiter verstellbarer Strahlteiler benötigt.

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Zweistrahl-Interferometer

In einem Zweistrahl-Interferometer wird ein Laserstrahl zunächst in zwei Schreibstrahlen aufgeteilt und anschließend in einer Probe (Kristall) überlagert. Anders als beim Michelson- oder Mach-Zehnder- Interferometer findet die Überlagerung der Teilstrahlen hier unter einem Winkel ungleich 0° bzw. 90° statt, sodass das Schreiben eines elementaren holographischen Gitters im Kristall möglich wird. Dieses ist mit einem Strichgitter vergleichbar, an dem ein weiterer Laserstrahl gebeugt werden kann, sofern die Bragg-Bedingung erfüllt wird. Er wird als Auslesestrahl bezeichnet und kann Informationen über dynamische Prozesse innerhalb der Probe liefern. In der nichtlinearen Optik werden oft Lithiumniobat-Kristalle (LiNbO₃) als Material verwendet.

Voraussetzung für die Durchführung eines solchen Experiments ist ein stabiles Interferenzmuster über einen Zeitraum von mehreren Minuten. Außerdem müssen die Schreibstrahlen je nach Kohärenzlänge des verwendeten Lasers auf wenige Mikrometer genau justierbar sein.

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Optische Pinzette

Optische Pinzetten erlauben das Bewegen und Manipulieren von Partikeln mit Größen von weit unter 1 µm — für herkömmliche Pinzetten sind sie somit viel zu klein. Durch Fokussierung eines Laserstrahls ist es möglich, diese Teilchen zu fangen und an ihrer Position zu halten oder gar zu bewegen. Insbesondere in der Biologie eröffnen sich hierdurch ungeahnte Möglichkeiten. So können zum Beispiel Fluoreszenzmarker in Gewebe eingesetzt werden und so ein lebendiger Organismus untersucht werden.

Kernbestandteil eines solchen Aufbaus ist ein Mikroskop, in dem ein Laserstrahl auf eine Probe fokussiert wird. Über eine Kamera und das gleiche Mikroskopobjektiv kann simultan die Bewegung der Partikel in Echtzeit studiert werden. Bisher waren zur Realisierung eines solchen Aufbaus teure Gerätschaften vonnöten. Es zeigt sich jedoch, dass sich LEGO®-Steine ebenfalls und zu einem Bruchteil des Preises hierfür eignen.

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Laser-Labyrinth

Das Laser-Labyrinth richtet sich vorwiegend an die jungen Forscher. Ziel ist es einen Laserstrahl durch einen Spiegelparcours zu lenken. Je zwei Spieler können gleichzeitig gegeneinander antreten und einen grünen oder roten Laserstrahl durch den Spiegelparcours justieren. Der schnellere gewinnt. Zusätzlich wird die Zeit gemessen und der Highscore des Tages angezeigt.

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Laser-Leistungsmessgerät

Mit einem Laser-Leistungsmessgerät (Powermeter) ist es möglich, die ausgestrahlte Lichtleistung eines Lasers zu messen. Das myphotonics Powermeter kann in Verbindung mit dem dazugehörigen Messkopf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 405nm (blau) und 785nm (nahes Infrarot) überprüfen. Zum Vergleich: Für das menschliche Auge sind Wellenlängen zwischen 400nm und 700nm sichtbar.

Nach der Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht, die auf der Kultusministerkonferenz am 26.02.2016 beschlossen wurde, darf eine kurzzeitige Bestrahlung des Auges (<0,25s) keine langfristigen Folgen hervorrufen. Dafür darf ein Laserpointer, der mit Sammellinsen betrieben wird, maximal der Laserklasse 2 angehören und höchstens eine Leistung von P = 1 mW emittieren. Mit diesem Gerät kann die Leistung bestimmt und somit das Gefährdungspotenzial des Lasers eingeschätzt werden.

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Spektrometer

Ein Spektrometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der Lichtintensität als Funktion der Lichtfrequenz bzw. der Lichtwellenlänge. Das myphotonics Spektrometer kann Licht im Wellenlängenbereich von 300 (ultraviolet) bis 900 nm (nahes Infrarot) mit einer Auflösung von bis zu 0,1 nm messen. Somit ist die Aufnahme von Spektren im sichtbaren, d.h. mit dem Auge sichtbaren, Wellenlängenbereich, möglich. Der Anwendungsbereich umfasst dabei nicht nur die Charakterisierung von Lichtquellen und die Farbeigenschaften optischer Alltagsmaterialien, sondern auch den Bereich der Atomspektroskopie und Astrophysik.

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FAQ

Wo kann ich die vorgestellten Optik und Photonik-Experimente kaufen?
Das Projekt arbeitet im Open-source-hardware-Gedanken, d.h. dass Bauteil- und Kostenlisten sowie Aufbauanleitungen mit Vorschlägen zu Bezugsquellen für Optiken und LEGO®-Bausteinen auf dieser Webseite frei zugänglich veröffentlicht werden.

Benötige ich das Breadboard aus LEGO®-Bausteinen für die Experimente?
Nein, wir empfehlen als kostengünstige Variante eine Holz- oder Aluminiumplatte, auf der eine bzw. zwei LEGO® Baseplate geklebt wird.

Ist der verwendete Laser gefährlich?
Speziell für die von uns entwickelten Experimente haben wir einen Laser im grünen Spektralbereich (532 nm) mit einer Leistung von 1 mW (Laserklasse 2) ausgesucht, der keine Gefahr für Auge und Haut darstellt (Bezugsquelle auf dieser Webseite). Dieser Laser darf daher zu Hause und in Schulen eingesetzt werden.

Lassen sich die Experimente im Schulunterricht einsetzen?
Ja, die Experimente sind ideal für den Physikunterricht in den Stufen 10, 11 und 12 geeignet. Aufbau, Justage und Durchführung der Experimente können während der Unterrichtsstunden von den Schülerinnen und Schülern selbst durchgeführt werden (durchschnittliche Aufbau- und Justagezeit: ca. 15 min). Besonders spannend und kostengünstig ist es, wenn die benötigten LEGO®-Bausteine gemeinsam aus den eigenen LEGO®-Baustein-Sammlungen zusammengetragen werden.
Zudem zeigte sich in einer Studie eine nachhaltige Lerneffektsteigerung.

Wie viel kostet der Aufbau eines Michelson-Interferometers mit LEGO® -Bausteinen?
Die optomechanischen und optischen Komponenten kosten insgesamt 142 EUR. Die LEGO®-Bausteine machen dabei den größten Kostenanteil aus. Schülerinnen und Schüler, die über entsprechende LEGO®-Bausteine verfügen, können das Interferometer für ca. 42 EUR nachbauen. Im Vergleich kosten entsprechende Komponenten in professioneller Ausführung bis zu 20 mal mehr (2870 EUR).