teaching

SoSe 23: Photonics

Photonics (Q-Ex-2) Summer 23

Lecture

The lecture is in person, HS KPH (nuclear physics bldg), Tues + Thur 12:15 - 13:45.

It will simultaneously be broadcast via zoom, recorded and uploaded to Panopto.

Literature:
* The book of Foot, Atomic Physics is a quite nice introduction in some of the basic concepts of light-atom interaction. You find the first 5 Chapters in this link.
Other good books on atomic physics and atom-light interaction are for example
* van der Straaten, Metcalf: "Atoms and Molecules interacting with light" and
* Hertel, Schulz, Atomic Molecular and Optical Physics 1 and Volume 2. This Vol. 2 has some nice chapters about stuff we'll learn.
* A.E. Siegman "Lasers" is a really good book on the topic. Very comprehensive.
* Demtröder has 2 good books on laser spectroscopy, Vol. 1 and Vol. 2 are available as German ebook
from the library.
* Roberd Boyd, "Nonlinear Optics" covers exactly this. English Ebook at UB

Lecture PDFs

18 Apr 23: Intro
20 Apr 23: Proton Radius
25 Apr 23: Very quick recap: Schrödinger Equation
27 Apr 23: Einstein A&B coefficients;      Light-atom-interaction pt. 1
02 May 23: Density matrix ; Optical Bloch equations (with sign errors)
04 May 23: OBEs (correct, a la Ch. 6 in van der Straaten, Metcalf:
.                             "Atoms and Molecules interacting with light" )
.                  Line shape and scattering rate

Homework: Write a (Python / Mathematica) program to solve the OBEs for a 2-level system interacting with light. Reproduce Figures 6.1 and 6.2 in van der Straten & Metcalf.

09 May 23: Laser
11 May 23: Coatings
16 May 23: Polarization ; Lyot filter

Homework: Write a (Python / Mathematica) program to calculate a mutilayer dielectric coating.
Given a set of layer materials and thicknesses, and the wavelength and angle of incoming light, calculate the refected and transmitted fraction by summing up the various electric fields. Use the Sellmeier constants to evaluate the refrective index as a function of wavelength.

23 May 23: Paraxial rays, Gaussian beams and ABCD Matrix
.                  Paper on our funny target cavity for muonic atom laser spectroscopy.
.                  Paper on muonic hydrogen spectroscopy and the proton radius, and
.                  the new muonic 3-He paper

Homework: Write a program for Gaussian beam propagation using ABCD matrices. Python has a bunch of libraries for this. The program should calculate and visualize the Gaussian beam waist while it traverses a set of optical elements.

20 May 23: Laser Locking Intro
1 Jun 23: Pound-Drever-Hall Lock PDH Paper
. more laser types Diode laser paper

TUESDAY JUNE 6: LAB TOURS

Meeting point: 12:15 vorderer Kreuzbau, 2nd Floor at the Elevators!

13 Jun 23: Frequency measurements
15 Jun 23: Dye lasers
20-27 Jun: Non-linear optics part 1 part 2 part 3 part 4

Homework: Use the SNLO program to calculate effciencies and phase matching angle for SHG of 1064nm in LBO, DFG in PPLiN, etc.

29 Jun 23: AOM+EOM
4 Jul 23: Light polarization and Jones calculus
6 Jul 23: Doppler shift and nonlinear spectroscopy

Tutorium Ex1 WS22/23

Tutorium Experimentalphysik 1

Herzlich Willkommen! Hier finden sich bald die PDFs der Tutorien.

24.11.22 Bezugssysteme, Scheinkräfte, Lichtgeschwindigkeit

14.12.22 schönes Skript zu Differentialgleichungen
. https://www.th-nuernberg.de/fileadmin/fakultaeten/amp/Stry/kapitel10.pdf

12.1.23 Trägheitsmoment in verschiedenen Koordinatensystemen

. (kartesisch, Zylinder-, und Kugelkoordinaten)
. https://itp.uni-frankfurt.de/~luedde/Lecture/Mechanik/Intranet/Skript/Kap7/node5.html

19.01.23: Heute leider nur via ZOOM

. Link: https://zoom.us/j/91904334223?pwd=TmJDcmFYbmZ4WjhmcDMyU3d6NEU2UT09

. Meeting ID: 919 0433 4223
. Passcode: Ex1Tut23

9.2.23 Q&A

Ex-5a WS 22/23

Experimental Physics 5a - Atomic, Molecular and Quantum Physics

Lecture

The lecture is in person, Lorentzraum (vorderer Kreuzbau 05-127, 5th floor).
It will simultaneously be broadcast via zoom, recorded and uploaded to Panopto.

Literature:
We'll mainly follow Foot, Atomic Physics. Here you can also find the first 5 Chapters.
Other good books include
van der Straaten, Metcalf: "Atoms and Molecules interacting with light" and
Hertel, Schulz, Atomic Molecular and Optical Physics 1 and Volume 2
Friedrich, Theoretical Atomic Physics
(the German versions are available via the UB, the English ones via the Springer links above)

Zoom links:

Lecture movies are available on Panopto
(it takes approx. 1/2 hour of processing before an uploaded video can be viewed)

Lecture PDFs:

26.10.22 Welcome
27.10.22 Proton Radius
An article in Scientific American and the original Nature paper
Reading assignment: Foot, chapter 1 and 2.1

02.11.22 Lecture notes: Bohr, reduced mass, Zeeman experiment
03.11.22 Lecture notes: X-ray spectra
Reading addignment: Foot chapter 2, the rest, and , Friedrich Section 2.1.3. on the Dirac Equation

09.11.22 Q&A
. Exercise 1
10.11.22 Angular momenta and their z-component
. The Dirac Equation
Reading assignment: Foot chapter 3: Helium

16/17.11.22 Helium
. Exercise 2
Reading assignment: Foot chapter 4: The alkali atoms

23.11.22 Alkali atoms
24.11.22 Clebsch-Gordan coefficients and Multielectron atoms
Reading assignment: Foot chapter 5: LS-coupling

30.11.22 Hund's rules
01.12.22 Zeeman effect
Reading assignment: Foot chapter 6: Hyperfine structure and isotope shift
Paper for Fig. 6.11 (Cd HFS): Lewis 1977

07.12.22 Quantum numbers
08.12.22 Hyperfine structure
09.12.22: Reading assignment: Foot 7.1 - 7.4: Interaction of atoms with radiation until Ramsey fringes

14.12.22 Light-atom interaction, OBE #1
15.12.22 Light-atom interaction, OBE #2
16.12.22: Reading assignment: Foot 7.5 - 7.9: Interaction of atoms with radiation, the rest

22.12.22 OBEs and The Bloch sphere

23.12.22: Reading assignment: Foot chapter 8: Doppler-free laser spectroscopy
(for the lectures on Jan 11, 12)

11.01.23 Doppler-free laser spectroscopy
12.01.23 Saturated absorption spectroscopy and Frequency combs
. The Movie of Hänsch's Nobel lecture!!

13.01.23: Reading assignment: Foot 9.1-9.4, 9.7: Laser cooling and trapping
. Laser cooling and trapping

19.01.23 For the remainder of the semester we will cover topics in
Hertel Schulz, Vol 2: Chapter 3, Diatomic Molecules. (see LMS, Supplementary Material)

25.1.23 Intro to molecular physics
26.1.23 LCAO, H2+, H2

8.2.23 Zeeman and HFS, revisited
9.2.23 Re sheet 5/3, why L+S=even: This has to do with the requirement that the total WF has to be antisymmetric. A nice explanation can be found here

https://www.tau.ac.il/~tsirel/dump/Static/knowino.org/wiki/Russell-Saunders_coupling.html

In particular, see the section starting with "equivalent electrons"

You can also have a look at last year's Lecture notes:
26 Jan 22: Intro molecular physics (incl. some things from 27 Jan)
27 Jan 22: Born-Oppenheimer; H2+ ion and LCAO; H2 molecule
02 Feb 22: spectroscopic Notation ; Rotations
03 Feb 22: Vibrations ; Frank-Condon principle

Institutstreff 2022 – AG Pohl

Für den Institutstreff 2022 möchten wir zwei parallele Labtours anbieten. Die Dauer wird 25 Minuten betragen, beginnend im Halbstundentakt ab 10:00 Uhr bis zur letzten um 11:30 Uhr.

Wir würden eine Anmeldung bevorzugen, aber je nach Gruppengröße können Sie auch einfach pünktlich zum Treffpunkt kommen.

Ca. 10 Teilnehmer pro Labtour.

Labor 1: Lithium-Spektroskopie und magneto-optische Fallen.

Treffpunkt: Vorderer Kreuzbau, Staudingerweg 7, 2. Stock vor den Aufzügen.

Kontakt für die Anmeldung: marcel.willig@uni-mainz.de

In unserem Labor bauen wir eine 2D und eine 3D magneto-optische Falle für Lithium-6.

Labor 2: Fortschritte bei der Wasserstoff/Tritium-Spektroskopie.

Treffpunkt: Vorderer Kreuzbau, Staudingerweg 7, Untergeschoss vor den Aufzügen.

Kontakt für die Anmeldung: meheppen@uni-mainz.de

Wir bereiten uns derzeit auf die erste 1S-2S-Messung an einem kryogenen Wasserstoffstrahl vor.

Wesentliche Bestandteile sind das fertige Lasersystem (einschließlich eines neuen Frequenzkamms), die atomare Wasserstoffquelle, die kryogene Düse und die Geschwindigkeitsfilterapparatur sowie die Wasserstoffstrahldetektion und ein Mikrokanalplattendetektor zum Nachweis der emittierten Lyman-α-Photonen.

English version

For the Institutstreff 2022 we would like to offer two parallel Labtours. The duration will be 25 min, starting every half hour from 10:00 to the last one at 11:30 a.m.

We would prefer a registration, but, depending on the group size, you might also be able to join by just coming to the meeting point on time.

Circa 10 participants per Labtour.

Lab 1: Lithium spectroscopy and magneto-optical traps.

Meeting point: First Kreuzbau, Staudingerweg 7, 2nd floor in front of the elevators.

Contact for registration: marcel.willig@uni-mainz.de

In our lab we are building a 2D and a 3D magneto-optical trap for lithium-6.

Lab 2: Progress on hydrogen/tritium spectroscopy.

Meeting point: First Kreuzbau, Staudingerweg 7, basement in front of the elevators.

Contact for registration: meheppen@uni-mainz.de

We are currently preparing for the first 1S-2S measurement on a cryogenic hydrogen beam.

Key parts are the completed laser system (including a new frequency comb), the atomic hydrogen source, cryogenic nozzle and velocity filtering apparatus, as well as hydrogen beam detection and a micro-channel plate detector for detection of the emitted Lyman-α photons.

Physik für Chemiker*innen

Herzlich Willkommen zur Physik für Chemiker*innen

Die Vorlesung findet in Präsenz und gleichzeitig online auf Zoom statt (Links für Do und Fr siehe unten). Die Aufzeichnung der Vorlesung finden Sie danach auf Panopto. (NEU: Der Link funktioniert jetzt auch)

Die Vorlesung folgt dem Buch " Physik für Studierende der Biowissenschaften, Chemie und Medizin" von Gerhard Rufa, das Sie über die Uni-Bibliothek zum Download erhalten.

Ein weiteres gutes, aber viel tiefer gehendes Buch ist das 2-bändige Werk von Roth und Stahl,
Mechanik und Elektrodynamik

Folien aus der Vorlesung

21.04.22   Intro
22.04.22   Protonenradius
28.04.22   220428.pdf
05.05.22 220505.pdf
06.05.22   Impulserhaltung
12.05.22   220512.pdf Drehmoment
19.05.22 220519 .pdf Corioliskraft
20.05.22 220520 .pdf Trägheitstensor
27.05.22   220527.pdf Differentialgleichung der gedämpften Schwingung
02.06.22 220602.pdf Wellen 1
03.06.22 220603.pdf Wellen 2
09.06.22   220609.pdf Reflexion und Brechung, Snell, ...
10.06.22   220610.pdf Interferometer, Auflösungsvermögen, etc.
17.06.22   Optik
22.06.22   220622_Aulenbacher.pdf Coulomb-Gesetz
30.06.22   220630.pdf Spannung und Strom
01.07.22   Gleichstrom und Magnetfeld
08.07.22   220708.pdf Selbstinduktion, Schwingkreis, ...
14.07.22   220714.pdf Probeklausur
15.07.22   220715.pdf Atom- und Teilchenphysik

Die Zoom-Links:

Do. 16-18 Uhr: Meeting ID: 976 6581 1463

Fr. 10-12 Uhr: Meeting ID: 932 1828 9045

Passcode: ExChem22

Ex-5a WS 21/22

Experimental Physics 5a - Atomic, Molecular and Quantum Physics

Lecture

The lecture is in person, Lorentzraum (vorderer Kreuzbau, 5th floor).
It will simultaneously be broadcast via zoom, recorded and uploaded to Panopto.

Zoom links:

Lecture PDFs

20 Oct 21: Intro
21 Oct 21: Proton Radius
27 Oct 21: Very quick recap: Schrödinger Equation
28 Oct 21: Dirac Equation
3 Nov 21: relativistic corrections
4 Nov 21: Lamb shift
17 Nov 21: Hyperfine structure
18 Nov 21: Multielectron atoms: Alkalis
24 Nov 21: Hund's rules continued
25 Nov 21: j-j-coupling,     inner shell x-rays,     Helium atom pt. 1
1 Dec 21: Helium atom pt. 2
2 Dec 21: Einstein A&B coefficients;      Laser    (3 partial movies on Panopto, sorry)
8 Dec 21: Optical resonators and coatings
9 Dec 21: Light-atom interaction   and Density matrix
15 Dec 21: Optical Bloch Equations (OBEs)
16 Dec 21: Bloch vector        ;        Rabi spectrosopy, Ramsey spectroscopy, Cs clock
22 Dec 21: Extra Exercises QA session (Zoom)
05 Jan 22: Locking an oscillator to an atomic reference; Lock-In amplifier
06 Jan 22: Atoms in magnetic fields: Zeeman and Paschen-Back effect (PDF from 2019)
12 Jan 22: Laser cooling: Zeeman slower
13 Jan 22: Optical Molasses, Magneto-Optical Trap (MOT)
19 Jan 22: Doppler-broadening
20 Jan 22: Doppler-free spectroscopy   ; Optical frequency comb, I suggest you watch the Movie of Hänsch's Nobel lecture!!
26 Jan 22: Intro molecular physics (incl. some things from 27 Jan)
27 Jan 22: Born-Oppenheimer;       H2+ ion and LCAO;      H2 molecule
02 Feb 22: spectroscopic Notation     ;    Rotations
03 Feb 22: Vibrations ; Frank-Condon principle

Another Q&A Session on Tuesday 8 Feb., 18 hrs!

Cs-clock: State selection F=3/4: PDF from JPL

Lecture movies in Panopto

Online lectures (YouTube etc.)

addition of spins and Clebsch-Gordan coefficients

Material

Lamb paper and Bethe's calculation
CODATA Report of the Fundamental Constants (see page 8 ff. for the hydrogen theory)

Magnetic moment of the proton 1933 and modern, see also press release
(The article in Science is not easily available. See the previous paper by the Walz group on arxiv)

Laser spectroscopy of muonic hydrogen Nature 2010

H(2S-4P): solution of the proton radius puzzle Science 2017, and Supplement
.   This measurement showed the funny "quantum interference" effect,
.   predicted here, and first observed in Li spectroscopy
.   also see a mathematical description using stuff from Ex5a

H(1S-3S): a completely different way to do laser spectroscopy Science 2020

Nobel lecture T.W.Hänsch: "Passion for precision": Movie

The Nobel-prize winning paper

Exercises

Exercise 1 (solution tutorial can be found in Panopto)
Exercise 2
Exercise 3
Exercise 4
Exercise 5
Exercise 6
Exercise 7
Exercise 8
Exercise 9
Exercise 10
Exercise 11
Exercise 12
Exercise 13

There are 3 exercise groups:

1) Tuesday 12-14, Seminarraum A / digitally via Zoom (since 7 Dec 21) Zoom link
2) Wednesday 10-12, Seminar room E / digitally via Zoom (since 15 Dec 2021) Zoom link
3) Friday 8-10, Newton-Raum Zoom link

Feedback

Experimentalphysik 2

Willkommen bei der Experimentalphysik 2!

Wegen Corona leider schon wie im Sommersemester per ZOOM.

Die Vorlesung findet Di und Do unter dem untenstehenden Link statt.

Die Videos der VL finden Sie wieder auf Panopto.

3.11.20 Administratives harmonischer Oszillator
. Film: Fadenpendel

5.11.20     Gedämpfter Oszillator
. Filme: Federpendel: Schwingungsdauer hängt von der Masse ab
.                Pohlsche's Rad: gedämpfte Schwingung, Kriechfall, aperiod. Grenzfall
.                Resonanzfrequenz am Federpendel 90° und 180° Phase bei Resonanz und zu großer Frequenz
.                Tacoma narrows bridge (Galloping Gertie)
.                Resonanz: zerspringendes Weinglas
.           Pendel: Wagen zwischen 2 Federn. Periode hängt von der Masse ab
.          Gedämpfte Schwingung: Wagen zwischen Federn mit Dämpfung

10.11.20   Literatur
.    erzwungene Schwingung, Resonanz;   Wellen
.     Film: Seilwelle longitudinal und transversal

12.11.20    Wellen: Superpositionsprinzip und stehende Wellen
.     Filme: Schwebung zwischen 2 Stimmgabeln
.                Interferenz mit 2 Lautsprechern
.                Reflexion einer Welle am festen Ende (Phasensprung) und losen Ende (kein Sprung)
.                Stehende Welle Obertöne
.                Rubens Flammenrohr (YouTube) bzw. mit Erklärungen an der ETH Zürich
.                Wasser: Kreiswellen

17.11.20 Huygens'sches Prinzip, Dopplereffekt
.               Elektrostatik: Coulomb-Gesetz
.     Filme:   Elektrische Ladung
.                  Arten von Ladung
.                 Elektrometer
.                 Coulomb'sche Drehwaage

19.11.20 Superpositionsprinzip, Fluß
. Filme: Feldlinienbilder

24.11.20 Satz von Gauss; Potential

26.11.20 Felder, Potentiale, Satz von Gauss in differenzieller Form

1.12.20 Kondensator (Rest)
. geladene Teilchen im E-Feld
. Ladungen in Matererie
. Filme: Plattenkondensator
. Elektronenstrahl im Plattenkondensator
. Faraday-Becher
. Faraday-Käfig

3.12.20     dielektrische Verschiebung
.                elektrische Spannung / Strom
.   Filme:   Ladungstrennung im Kondensator
.    Isolator im Kondensator I und II
.                Spannungsabfall am Draht

8.12.20     Widerstand, Festkörper (Metall, Halbleiter, Isolator)
.   Filme:   Strom heizt Wurst
.        Elektrolyse
.    Magnetfeld: parallele Leiter und Kompassnadel
.    Strom durch Mensch
.    Strom durch Glas

10.12.20   Stromleitung
.   Filme: Temperaturkoeffizient
.    U-I Diagramm für NTC, PTC, Konstantan
.    Strom durch Wasser / Salzwasser
.    Gasentladung in Luft

15.12.20 Widerstände in Reihe und parallel; Kirchhoffsche Regeln

17.12.20   Wheatstone'sche Brückenschaltung (update des PDF vom 15.12.);
.                Kondensator-Schaltungen
. Filme: Kondensatorschaltungen
.                Energie im Kondensator

5.1.21 Magnetostatik
. Filme: Stabmagnete
. Elektronen im Magnetfeld

5.1.21 Magnetischer Dipol, Ampere Gesetz
. Filme: Hall-Effekt
.                Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld
.                Drehspulinstrument, Detail davon
.                magnetische Umarmung
.                Elektromotor
.                Feldlinienbilder

12.1.21     Vergleich elektrischer und magnetischer Felder
.                Leiterschleife, Ferromagnetismus, Suszeptibilität, ...
. Admin: Anmeldung Anfängerpraktika SoSe 2021
.                PGP-1 und PGP-2

14.1.21    Nachtrag: Warum funktioniert ein skalares magnetisches Potential nicht
.               Poisson-Gleichung, Biot-Savart (korrigiert 21.1.21)
.               NEU: Herleitung von Biot-Savart aus Roth, Stahl, Vol. 2
.               Elektrodynamik: magnetischer Fluss, Lenz'sche Regel

19.1.21    Wechsel- und Drehstrom
. Filme:   magnetischer Fluss
.               Generator

21.1.21    Induktivität
. Filme: Trafo: Hochspannung und Schweisstrafo (hoher Strom)
. Dosenexplosion
. Wirbelstrombremse
.               Spule an- und ausschalten
.               explodierender Magnet

26.1.21 Impedanz
. Filme: RLC-Schwingkreis
. gedämpfter Schwingkreis

28.1.21    RLC-Schwingkreis, erzwungene Schwingung
.               Maxwell-Gleichungen
. Filme:   Resonanz in der erzwungenen Schwingung
. Maxwellscher Verschiebungsstrom

2.2.21 elektromagnetische Schwingungen und Wellen

4.2.21 Hertz'scher Dipol, Poynting-Vektor, polarisiertes Licht
. Filme: Hertz'scher Dipol
. Sender - Empfä nger

9.2.21     Geometrische Optik 1: Snellius
. Filme: Beugung Wasserwellen
.    Beugung Lichtwellen
. Lochkamera
.    Lichtgeschwindigkeit
.    Brechung
.    Glas verschwindet

11.2.21     Geometrische Optik 2: Brechung, Abbildungen
. Filme: Totalreflexion
.    Lichtleiter
.    Prisma, Linsen
.    Dispersion
.    Hohlspiegel
.    Hohlspiegel Abbildung
.    chromatische Abberation

https://zoom.us/j/96991428445?pwd=Z2RpQmZjV01rZGxWQWhSUlBOR0V6dz09

Meeting ID: 969 9142 8445
Passcode: 063255
One tap mobile
+496971049922,,96991428445#,,,,,,0#,,063255# Germany
+493056795800,,96991428445#,,,,,,0#,,063255# Germany

Dial by your location
+49 69 7104 9922 Germany
+49 30 5679 5800 Germany
+49 69 3807 9883 Germany
+49 695 050 2596 Germany
Meeting ID: 969 9142 8445
Passcode: 063255

Fragen bitte an

Lukas Schumacher hschumac at students.uni-mainz.de oder

Randolf Pohl pohl at uni-mainz.de