Zwischen Lasertag, Quantenphysik und Diodenlasern

Erfolgreiches MINT-EC-Camp am St. Xaver

(sp/thi). Wie funktioniert ein Lasersystem und wie kann man die besonderen Eigenschaften von Laserstrahlung in aktuellen Anwendungen wie der Lasergravur benutzen? In einem MINT-EC-Camp am Gymnasium St. Xaver beschäftigte sich das Teilnehmerfeld vom 22. bis zum 26. November mit diesen und weiteren Fragen der Laserphysik.

Nach der gelungenen Premiere im Frühjahr 2020 gelang es dem St. Xaver in Zusammenarbeit mit der Universität Paderborn, dem Heinz Nixdorf Museumsforum und den lokalen Unternehmen Wieneke Anlagenbau und Verfahrenstechnik GmbH sowie Wieneke Lasergravur GmbH erneut, ein Mint-EC-Camp auszurichten. Dies ermöglichte interessierten Schülerinnen und Schülern von Mint-EC-Schulen bundesweit einen interdisziplinären Austausch sowie Einblicke in mögliche Studien- und Berufsfelder.

Den neun teilnehmenden Schülerinnen und Schülern standen an den fünf Tagen des MINT-EC-Camps fachkundige Mitarbeiter der externen Projektpartner sowie Professoren und Doktoranden zur Seite. So erlernten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer relevante Grundlagen aus den Bereichen Optik, Atomphysik und Quantenphysik. Sie bauten eigenständig verschiedene Lasersysteme wie Gas-, Festkörper- und Diodenlaser auf und experimentierten mit diesen. Dabei jagte ein Highlight das nächste, wie der folgende Einblick in die einzelnen Projekttage zeigt.

Montag: Nach einer kurzen Begrüßung durch den Schulleiter Antonio Burgos und einigen organisatorischen Absprachen lernten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer die Grundprinzipien eines Lasers kennen und experimentierten anschließend arbeitsteilig mit unterschiedlichen Lasern. Dabei wurden u.a. die Leistung, Wellenlänge und die Strahlaufweitung von selbst mitgebrachten Laserpointern experimentell bestimmt und diese mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse in ihre Laserklasse eingeordnet.  Neben Beugungs- und Interferenzversuchen lernten die Schülerinnen und Schüler erste Anwendungen von Lasern kennen. So ermittelten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer mit Hilfe eines Laserdistanzmessgerätes die Lichtgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien (Wasser und Speiseöl) und berechneten die Brechzahl. Am Versuchsaufbau eines Michelson-Interferometers machten die Schülerinnen und Schüler Erfahrungen mit der Eigenschaft der Fokussierbarkeit von Laserstrahlung. In einem weiteren Experiment realisierten die Schülerinnen und Schüler einen Versuchsaufbau, mit welchem via Laserlicht Informationen (Musik) übertragen werden und bauten eine optische Abhöranlage.

Dienstag: Nach einer Vorlesung über die Grundlagen der optischen Absorption und Emission in Halbleitern und der Identifikation der für Diodenlaser genutzten Materialien in der Universität Paderborn, experimentierten die Schülerinnen und Schüler eigenständig unter Aufsicht mit Fabry-Perot-Laserdioden und DFB-Laserdioden. Der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Titan-Saphir-Lasers, welcher gleich über zwei weitere Laser gepumpt wird, war für viele Schülerinnen und Schüler der erste Kontakt mit einem Festkörperlaser. Abschließend besichtigten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer verschiedene Forschungsexperimente wie z.B. die Laserlithographie im Reinraum der Universität Paderborn.

Mittwoch: Nach dem Eigenbau eines Stickstofflasers und dem Zusammenbau des Lötsets eines Lasercommunicators besuchten die Schülerinnen und Schüler die Firma Wieneke LASERGRAVUR GmbH. Nach einer Besichtigung der unterschiedlichen Laseranlagen erstellten die Schülerinnen und Schüler eine eigene Grafikdatei, welche anschließend in Glas lasergraviert wurde. Im Rahmen des Freizeitprogramms besichtigte die Schülergruppe das Heinz-Nixdorf-Forum in Paderborn.

Donnerstag: Die Schülerinnen und Schüler besuchten die Firma Wieneke Anlagenbau und Verfahrenstechnik GmbH in Herste. Nach einer Führung durch das Unternehmen besichtigten die Schülerinnen und Schüler die Laserschneidanlage und die Laserschweißanlage. Die Schülerinnen und Schüler designten und fertigten die Griffe für ihre „Laserschwerter“ aus Aluminium. Die restliche Zeit nutzten die Schülerinnen und Schüler für die Vorbereitung der Abschlusspräsentation.

Freitag: Die Schülerinnen und Schüler bauten ein Lasertag-Geschicklichkeitsspiel, basierend auf einem Raspberry Pi (Einplatinencomputer) und nutzten lichtabhängige Widerstände sowie Laserdioden und Servomotoren. Die Schülerinnen und Schüler hielten ihre Abschlusspräsentation.

„Ein voller Erfolg“, so das Resümee der Beteiligten. Neben der Vermittlung der fachlichen Inhalte vorwiegend in experimenteller Form wurde das Programm durch eine abwechslungsreiche Freizeitgestaltung komplettiert. Ein großes Dankeschön gilt der Osthushenrich Stiftung, welche das Projekt unterstützte.

Zum Titelbild: Schulleiter Antonio Burgos (stehend links), Lehrer Benedikt Speer (Mint-Koordinator am Gymnasium St. Xaver), die Teilnehmerinnen und Teilnehmer sowie zwei unterstützende Begleitpersonen des Mint-EC-Camps.

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