prof. dr. h. graßl, angewandte physik 1 angewandte physik optik

Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 1

Angewandte Physik

Optik


Elektromagnetische Wellen

Beschleunigte Ladungen führen zu elektromagnetischen Wellen

+

-


Licht: Elektromagnetische Wellen und Quanten

Wellenlänge und Frequenz

Lichtquantenenergie und Frequenz

fhE Photon

Planck'sche Konstante h = 6,6260693 · 10−34 Js,

(8c=3 10 m/s 299 792,458 km/s)Lichtgeschwindigkeit

cf


430 THz 750 THz

Einordnung von Licht in Gesamtspektrum elektromagnetischer Wellen

MHz GHz THz

FIR


sichtbares Licht Augenempfindlichkeit V()

V(max )= 100% max = 555nm (gelbgrün)


Augenempfindlichkeit linear und logarithmisch

Grenzen des Bereiches sichtbaren Lichtes je nach Helligkeit des Lichtes

380 nm 780 nmWellenlänge /nm


Sonnenspektrum

Augenempfindlichkeitskurve


Angewandte Physik

Geometrische Optik


Was sind 'Lichtstrahlen'?

in der Physik:Lichtstrahlen sind 'Hilfslinien'

näherungsweise: dünne Lichtbündel (z.B. Laserstrahl)Flugbahnen von Photonen

Lichtstrahlen breiten sich im homogenen Medium geradlinig aus.

Lichtstrahlen stehen senkrecht auf Wellenflächen

'Lichtstrahlen' anwendbar, wenn Abmessungen von Gegenständen der Optik groß gegenüber Wellenlänge des Lichtes

Laserstrahl Durchmesser/Wellenlängez.B. 5mm/0,5µm = 104

Autor

28.5.2013


Reflexion des Lichtes

Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl bilden eine Ebene

Einfallswinkel = Reflexionswinkel


Spiegelung

Strahlengang von Gegenstandspunkt über Spiegel zu Auge nimmt kürzest möglichen Weg

(Fermat'sches Prinzip)


Spiegelbild


Parabolspiegel

Parabolspiegel zum Sammeln von parallelen Lichtstrahlen in einem Punkt

Für jeden Strahl ist der Weg zum Brennpunkt F gleich lang

Spiegelteleskop


Licht in Medium hat geringere Phasengeschwindigkeit als in Vakuum

Brechung an ebenen GrenzflächenBeim Übergang zum

dichteren Medium (Lichtgeschwindigkeit c' < c)wird Strahl zum Lot hin gebrochen

Brechungsindex

Brechung des Lichtes

''sinsin

cc

'

nn'

'' 0

cc

n

cc

n 0c

c'

'

sin

sin '

r=1

für gegebenes

, und

konstant

'n n

' sin ' sinn n

0cnc

' arcsin sin'

n

n

cf

c''

f

Frequenz bleibt gleich,aber Wellenlänge hängt vom Medium ab.

Brechung des Lichtes: Erklärung mit Hilfe von Elementarwellen



Licht in Medium hat geringere Phasengeschwindigkeit als in Vakuum

Brechung des LichtesErklärung mit Fermat‘schem Prinzip

nn '

n

c (schneller)

c' (langsamer)

Auch hier gilt Fermat'sches Prinzip: Licht nimmt kürzesten (= schnellstmöglichen) Weg!

A

B


Lichtausbreitung ist umkehrbar

• Lichtstrahl von A nach B undLichtstrahl von B nach A nehmen denselben Weg

• Lichtstrahl von A nach C undLichtstrahl von C nach A nehmen denselben Weg

aber:• Nur wenn reflektierter und

transmittierter Strahl exakt aufeinander abgestimmt loslaufen, kommt komplette zeitliche und räumliche Umkehrung der Lichtausbreitung zustande:also völlig unwahrscheinlich!

nn '

n

c (schneller)

c' (langsamer)

A

B

C


Brechungsindizes verschiedener Stoffe


Dispersion: Abhängigkeit des Brechungsindex von Wellenlänge

Normale Dispersion:kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges Licht


Brechung an ebenen GrenzflächenBeim Übergang vom dichteren Medium zum dünneren tritt ab einemGrenzwinkel Totalreflexion ein

Grenzwinkel der Totalreflexion

Totalreflexion

1

2

2

1

2

1

sinsin

nn

cc

2

n1 > n2

n2

gsin1' nn

g

Totalreflexion

Grenzwinkel der Totalreflexion

nn'

arcsingBeispiel Glas/Luft: nGlas 1,5g 41,8°

1


Beispiel für Totalreflexion: Umlenkprisma100% Reflexion; besser als MetallspiegelMetall absorbiert, oxidiert (wird matt) Metallspiegel werden von intensiver Laserstrahlung zerstört

nicht verspiegelte polierte Glasfläche

Lichtwelle hat "Saum" über die Grenzfläche hinausElektrisches Feld nimmt exponentiell mit Abstand von Grenzfläche ab Schmutz auf der Fläche absorbiert Licht teilweise!


Beispiel: Umkehrprisma (Wendeprisma)

erzeugt spiegelverkehrtes Bild

Spiegel


Beispiel: Totalreflexion in Stufenindex-Lichtleitfaser

weitergehende Betrachtung des Wellenleiters nach Wellenoptik siehe unten

Autor

29.5.13


Linsen

Sphärische Linsen einfach und präzise herzustellen

ebenso ebene Flächenschwieriger: ashpärische

Linsen


Typen von Linsen

bi-konkavbi-konvexkonkav-konvex


Schleifen von sphärischen Linsen


asphärische Linsen


Herstellungstechniken für Asphärische Linsen

a) Schleifen und Polieren mit computergesteuertem Diamant-Drehautomat

b) Heißverformen einer sphärischen Linse in asphärischer Pressformc) Vervielfältigung durch Polymergusstechniken (UV-härtende Polymere)


Konstruktion eines BildpunktesStrahl durch Linsenmitte (2)Strahl durch vorderen Brennpunkt (3)Strahl parallel zu optischer Achse (1)

Abbildung durch dünne Sammellinse

Gegenstandsweite

Brennweite

Bildweite

Gegenst

and

Bild

Brennweite


Abbildung durch dünne Sammellinse

Linsenformel

Abbildungsmaßstab

Abstand der Schärfeebene von Linse

Näherung für große Objektabstände

fggf

b

g

ff

1

1

G B

Strahlensatz!

gffb 1

g b

f

GB

gb

1 1 1g b f


Beispiel Kamera

Näherung für große Objektabstände

Kamera auf unendlich eingestellt

Kamera auf unendlich eingestellt Objekt nah

Kamera auf nahes Objekt eingestellt; Objektiv relativ zu Bildsensor verschoben

af

af

ffa

11

1'

af

fa2

'

f

'a

'a

f


Abbildungsfehler

Sphärische Aberration

Chromatische Aberration

Koma


Verzeichnung und Bildfeldwölbung

Verzeichnung

kissenförmig tonnenförmig

Bildfeld-wölbung


Korrektur von Aberrationen

Sphärische Aberration

Asphärische Linse

Strahlen treffen sich nicht exakt in einem Punkt


Korrektur von Abbildungsfehlern

alle Abbildungsfehler geringer bei kleinerer BlendeLinsensysteme ermöglichen Korrektur von Abbildungsfehlern

Kombinationen von Sammel- und ZerstreuungslinsenLinsen aus verschiedene GlassortenAbnahme der Lichtdurchlässigkeit, unerwünschte

Oberflächenreflexionen

aspärische Linsenteuer herzustellen, ermöglichen Linsensysteme mit weniger Linsen

Autor

4.6.2013


Optische Instrumentemeist Teil des Systems: das Auge

Durch Linse (und vor allem durch gekrümmte Vorderseite der Hornhaut H) entsteht Fokussierung von Lichtbündeln auf der Netzhaut

Augenlinse durch Ringmuskel verstellbarbei Entspannung des Muskels Fokussierung auf unendlich ( Lichtbündel

aus parallel einfallenden Lichstrahlen)

Autor

5.6.2012


Lupe Lupe erzeugt parallele Strahlenbündel wenn Gegenstand im Abstand f gehalten wird

Auge (normalsichtig) bildet auf Netzhaut scharf ab, wenn entspannt

Winkel, unter dem das Auge das Objekt sieht, ist größer als Winkel ohne Lupe

Bei Fehlsichtigkeit wird unwillkürlich der Abstand der Lupe variiert, bis Abbildung auf Netzhaut scharf

Richtung des Lichtbündels

nach der Linse

Alle Lichtwege von Stern zu Brennpunkt müssen auf Bruchteile von Wellenlängen exakt gleich lang sein

Je größer die Spiegelfläche, desto schwächere Objekte sichtbar, und desto höher die räumliche Auflösung (aufgrund von Beugung)


Astronomisches Spiegelteleskop

Parabolspiegel

Bildebene

Stern A

Stern B

Stern A

Stern B

Stern AStern B

Bildsensor


MikroskopObjektiv erzeugt (virtuelles) ZwischenbildAuge sieht Zwischenbild

Auge ist entspannt und auf ∞ eingestellt

Objekt wird unter sehr großem Winkel gesehen

Objekt

Objektiv

OkularOkularZwischenbild(virtuell)


Fernrohr

Kepler'sches FernrohrGegenstände erscheinen

auf dem Kopf stehend

Galileisches FernrohrGegenstände

erscheinen aufrecht

Objekt

gesehenes Bild

Zwischenbild(virtuell)


Vergrößerung des Fernrohrs


Radiometrie und Fotometrie

Was ist 'Helligkeit', 'Lichtintensität', 'Lichtmenge' ?

• Radiometrie: Licht als energetische Strahlung strahlungsphysikalische Größen auf Einheit Watt basierend

• Photometrie: Licht gemäß Empfindlichkeitskurve des Auges bewertet lichttechnische Größen auf Einheit 'Lumen' basierend


Wie 'hell' ist eine Lichtquelle (radiometrisch)

Strahlungsleistung Φe [W] (Strahlungsfluss durch eine Umrandung oder in einem Strahl)

Strahlungsenergie Qe [Ws=J]über Zeit integriert

Strahlstärke Ie [W/sr]

punktförmige Lichtquellen führen zu divergenten Lichtstrahlenbündeln (Lichtkegeln)mit Raumwinkel

dtQ ee

dtdQe

e

ee

dI

d

2 312 2

12

2 3

[ ]A Ar r

Asr

r

anwendbar für jede Wellenlänge, auch IR und UV

2

dAd

r

2

2;e e e ee

d r d d II

d dA dA r


Strahlstärke Ie() [W/sr] ist Funktion der Richtung ()

isotrop (z.B.Glühlampe)

gerichtet (z.B. LED mit linsenförmigem Plastikkörper)

Lambert'scher Strahler

)cos()( 0 II e

30° 15° 0°

90°

75°

6

0°

45°

Strahlungsdiagramme

( , ) ( , )e eI d Integration über alle Raumrichtungen Gesamtleistung (Strahlungsfluß) Φe [W]

hier: rotationssymmetrisch um


2 2

sin( ) sin

xd x ddAd d d

x x

Beispiel Laserstrahl100e mW

( )ee

dI

d

12

2 1mraddx

xd

Gauß'scher Strahl2

1/2

0( )eI I e

( , )e eI d

2

1/2

0 21/2

0

2 sin

e eI

e d

2

1/20

0

2 sin eI e d

2

0 0

( , )sineI d d

12

sinx d xd

x


Wie 'hell' ist eine bestrahle Fläche

]/[ 2mWdAd

E ee

]/[)( 2mWsdttEH ee

Bestrahlung = Bestrahlungsstärke mal ZeitBestrahlungsstärke


zu jeder Strahlungsgröße Xe entsprechende Größe Xe,

z.B. spektrale Strahlungsleistung

oderspektrale Strahlungsdichte

Spektrale Größen

ddX

X ee,

]nmsrm

W[ 2

ddL

L ee,

2

,e

e

d Q Wdt d nm

relative spektrale Strahlungsleistung, typisch, Einheiten der y-Achse undefiniert


(spektraler) Lichtstrom

(integraler) Lichtstrom

Photometrie (mit der Augenempfindlichkeit bewertete Größen)

, ,0 0

[lm]

v v m e( ) d K ( ) V( )d

Km= 683 Lm/W100%

555 nm400 700 nm

neue SI-Basiseinheit:

1 Lumen [1 lm]

, ,

lm=

nmv em ( ) ( )K V( )

spektralerStrahlungs- fluss von 4 Lasern [W]

AugenempfindlichkeitskurveV()


Photometrie (mit der Augenempfindlichkeit bewertete Größen)

spektraler Lichtstrom

Lichtstrom d)) V((K d)( emvv lm][Lumen,0

,0

,

, ,

lmmv m e ( ) K ( ) V( )

Km= 683 Lm/W


Lichtquellen und Beleuchtungssituationen

Lichtstrom von Lichtquellen: LumenBeleuchtungsstärke an Plätzen: Lux


Welche Spektren können Lichtquellen haben?

auch Laserlinie hat eine spektrale Breite, die aber auf dieser Skala nicht auflösbar ist


a) Dauerstrich-Laser z.B. Laserdiodeüber sehr kurze Zeit betrachtet:df = 1MHz , =405nm|d |= 5,5x10-16m

dazu kommen zeitliche Schwankungen der Laserwellenlänge in Größenordnung von nm

b) gepulster Laser, Pulsdauer extrem kurz (z.B. 1 ps)

t Unschärferelation: ft~1f = 1012Hz , =500nm |d |= 0,8nm

Linienbreite eines Lasers

cf

2

df cd

2

d dfc

je kürzer die Pulsdauer desto größer die Linienbreite!


Wellenoptik

Wellenphänomene des Lichtes:

• Polarisation• Beugung• Kohärenz• Interferenz• Huygens'sches Prinzip

Autor

5.6.2013

Licht ist elektromagnetische Wellen, aber auch Teilchen

inkohärentes Licht: Gasentladungen, GlühlichtLichtquanten mit unterschiedlichen Wellenlängen und unkorrelierten Phasen

Länge einer Wellenlänge: ~ 0,5µmLänge eines Wellenzuges: ~ 0,1- 1mm (Dauer z.B. ~ps)

kohärentes Licht: Laser Schwingungszug unbegrenzter Länge

Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik

Kohärenzlänge



linear polarisierte elektromagnetische Welle

Polarisation

vertikal polarisiert

horizontal polarisiert

nicht polarisiertes Licht ist Mischung aus Licht verschiedener Polarisation

Polarisator lässt Licht der richtigen Polarisation durch


Überlagerung von verschiedenen Polarisationen

Polarisation: Zerlegung in Polarisationskomponenten durch Polarisator

bei polarisiertem Licht lässt Polarisator nur die Komponente in der richtigen Polarisationsrichtung durch

^^^^^^^^^^^^^^E

20 cosI I

0 cos^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

E E

0

^^^^^^^^^^^^^^E

2 1cos

2 z.B. 45°:


Was ist zirkular polarisiertes Licht?

Überlagerung zweier linear polarisierter Wellen, die um /4 gegeneinander verzögert sind

rechtsdrehend

(in Ausbreitungsrichtung)linksdrehend

entgegen der Ausbreitungs- richtungbetrachtet


Reflexion und Transmission von Licht an Grenzflächen zwischen Medien mit verschiedenem Brechungsindex

1.Elektrische Feldstärke der reflektierten und der transmittierten Welle bei senkrechtem Einfall2.Unterscheidung zwischen a) Polarisation senkrecht auf Einfallsebene und b)parallel zu Einfallsebene

a) b)


Stärke der Reflexion an nichtmetallischen ("dielektrischen") Grenzflächen

Energieerhaltung:Einfallende Intensität =

transmittierte + reflektierte Intensität

Transmissionskoeffizient TReflexionskoeffizient R

Spezialfall senkrechter Einfall auf Grenzfläche:Reflektion bei senkrechtem Einfall

bezogen auf Intensität 2

1 2

1 2

n - nR=

n +n

RT 1

1n

2n

R

Beispiel Luft / Glas n1= 1; n2=1,5R = 4% pro Fläche

1 RT

Beispiel Luft / Silizium n1= 1; n2= 4R = 36% pro Fläche


pR

1n

2n

sR

Stärke der Reflexion an nichtmetallischen (dielektrischen) Grenzflächen für zweierlei Polarisationallgemeiner Fall:Winkelabhängigkeit des

Reflexionskoeffizienten R nach Fresnel'schen Formeln (siehe z.B. Wikipedia)

Schwingungsebene senkrecht zu Einfallsebene: Rs

Schwingungsebene parallel zu Einfallsebene: Rp

a) Lichteinfall aus optisch dünnerem Medium (Luft Festkörper)

b) Lichteinfall aus optisch dichterem Medium (Festkörper Luft)

100%Transmission

http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelsche_Formeln


Brewster-Winkel keine Reflexion von E||

1) Wenn Licht mit Polarisation parallelzur Einfallsebene unter Brewster-Winkel auftrifft, dann findet keine Reflexion statt; Transmission = 100%

2) Wenn unpolarisiertes Licht unter Brewster-Winkel auftrifft, dann ist reflektiertes Licht polarisiert

Brewster Winkel

ptan n


Fresnel'sche Formeln aus Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelsche_Formeln

Elektrische Feldstärken in transmittierter und reflektierter Lichtwelle

Polarisation parallel zur Einfallsebene:

Polarisation senkrecht zur Einfallsebene:

http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelsche_Formeln

Autor

12.6.2012


Beugung

Geometrische Optik: ohne Beugung

Wellenoptik:mit Beugung

beugungsbegrenzter FokusfleckBrennfleck ohne Ausdehnung

Unschärfe!

Unschärfe!

Blende

f f

Laserstrahl mit Gauß-Funktion als Strahlprofil behält mit zunehmender Laufstrecke dieses Profil,

weitet sich weniger auf als alle anderen möglichen Strahlprofile

Gauß‘scher Laserstrahl


ebene Wellenfront

kugelförmige Wellenfront

Gauß‘schesStrahlprofil

Gauß‘schesStrahlprofil


Interferenz von zwei Wellen

Überlagerung (=Addition) zweier Wellen:Überlagerung in Phase ()

Überlagerung gegenphasig ()

+

=

+

=

Verpoppelungder Amplitudekonstruktive Interferenz

Auslöschungder Amplitudedestruktive Interferenz

Phasenzeiger


Interferenz von zwei Wellen

Überlagerung (=Addition) zweier Wellen:Überlagerung mit T/4 verschiebung ()

+

=

+

=

Phasenzeiger

Autor

11.6.2013


Interferenz von vielen Wellen

ohne Phasenverschiebung

mit je 60° Phasenverschiebung

Summe = 0


Huygens'sches Prinzip

jeder Punkt einer Wellenfläche Ausgangspunkt einer Elementarwelle (Kugelwelle)


Überlagerung von Elementarwellen mit kleinem Phasenunterschied

Bei immer feinerer Unterteilung der Beiträge:mehr aber kürzere Pfeile im Grenzfall glatte Linie "Cornu-Spirale"


Beugung hinter einer Kante


Beugung an einem Spalt und die Wirkung von Interferenz

Spaltbreite b

erste Auslöschung wenn Wegdifferenz

n-te Auslöschung wenn n·

sin2 2b Phasendifferenz =

Phasendifferenz = sinb

n

2b

b

sin

"Spaltfunktion"x

yx

In welchen Richtungen gibt es Auslöschung?

Huygens'schesPrinzip

sinb

sinnb

Verlauf der Amplitude als Funktion von

Verlauf der Intensität als Funktion von


• Konstruktive Interferenz = Beugungsmaximum,wenn Gangunterschied nzwischen benachbarten Elementarwellen

• Ordnung n des Beugungsmaximums

• Abstand der Beugungsmaxima um so größer je kleiner Gitterkonstante g

• Schärfe der Beugungsmaxima um so größer je größer Anzahl p der Gitterspalte

• Einzelspalt macht allein schon ein Beugungsmuster gemäß Beugung am Spalt mit Breite b

• Beugungsbild ist Produkt von Beugungsmuster des Einzelspalts mit periodischen Interferenzmaxima aufgrund der Gitterperiodizität

Beugungsgitter: Interferenz von vielen schmalen Spalten

Gitterkonstante gSpaltbreite b

ng sin

Linienbreite

~ 1/p

Bre

ite d

es G

itters p

. g

n=0

n=1

n=2

Linienabstand

~ 1/g

Autor

13.6.2012


Linienschärfe und Strichzahl

Je höher die Anzahl p der Striche eines Gitters, desto schärfer die Maxima konstruktiver Interferenz

Bei Änderung des Winkels erhöhen sich Gangunterschiede, bis beim nächsten Maximum wieder alle Phasen zusammenfallen

Zwischenmaximum

Beim ersten Minimum

~sin

Gangunterschied

sing


• Konstruktive Interferenz = Beugungsmaximum,wenn Gangunterschied nzwischen benachbarten Elementarwellen

• Ordnung n des Beugungsmaximums

• Abstand der Beugungsmaxima um so größer je kleiner Gitterkonstante g

• Schärfe der Beugungsmaxima um so größer je größer Anzahl p der Gitterspalte

• Einzelspalt macht allein schon ein Beugungsmuster gemäß Beugung am Spalt mit Breite b

• Beugungsbild ist Produkt von Beugungsmuster des Einzelspalts mit periodischen Interferenzmaxima aufgrund der Gitterperiodizität

Beugungsgitter: Interferenz von vielen schmalen Spalten

Gitterkonstante gSpaltbreite b

ng sin

Linienbreite

~ 1/p

Bre

ite d

es G

itters p

. g

n=0

n=1

n=2

Linienabstand

~ 1/g

Beugungsgitter


Ablenkungswinkel


Reflexionsgitter als Beugungsgitter mit hoher Effizienz

Beugung am Spalt ist ein das einfachste Beispiel dafür, wie ein seitlich begrenztes Lichtbündel durch Beugung sich aufweitet und in großer Entfernung ein allein durch die Beugung beherrschtes Strahlungsdiagramm hat.

Entwicklung eines Strahlprofils mit zunehmender Entfernung:

Beugung am Spalt


Strahlprofil (Intensität) qualitativ

Nahfeld(kompliziert)

Fernfeld(Beugungs- muster)

Beugungsgitter

Lichtablenkung in bestimmte Richtungen durch konstruktive Interferenz von sehr vielen (nahezu) Linienförmigen (Streu-) Lichtquellen, wenn Gangunterschied zwischen benachbarten Quellen ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge


Beugung von Laserstrahl an Spuren einer CDR


1. Ordnung

1. Ordnung

0. Ordnungspiegelnde Reflexion

2. Ordnung


Interferenz an dünnen Schichten

Antireflexionsschicht

Dielektrischer Spiegel

x xx

Vorteil: (fast) keine Absorption sondern nur Reflexion und Transmission

1

4d

Gnnn 01

Wellenlängebei n1: =0/n1

1

4d

2

4d

2

4d

1

4d

1

4d


Interferenzfilter

Reflektor ReflektorAbstand

Prinzip:

Verhältnis abhängig von Wellenlänge l

Durch geeignete Kombinationen von Reflektoren und AbstandshalternFrequenzgänge sehr vielfältig gestaltbar


Dielektrische Spiegel und Interferenzfilter

Wärme-reflexionsglas

Kaltlichtspiegel

Interferenzfilter

Breitbandentspiegelung

Schichtdicke/Wellenlänge je nach Lichtfarbe unterschiedlich


n2

n1

n2

n2

n1

n2

Betrachtung eines Lichtwellenleiters nach Wellenoptik

Stufenindex-Multimode Wellenleiter

Grundmodus(1. Transversalmodus)

2. Transversalmodus

in der Mitte: konstruktive Überlagerungam Rand: destruktive Überlagerungaußerhalb der Grenzfläche: exponentieller Abfall


n2

n1

n2

Betrachtung eines Lichtwellenleiters nach Wellenoptik

Stufenindex-Multimode Wellenleiter

Monomode-WellenleiterWenn Faserkern sehr dünn, dann nur Grundmodus möglich

schlecht: verschiedene Transversalmoden haben verschiedene Phasengeschwindigkeit


LWL mit Gradienten-Index-Profil

Gradientenfaser:

graduelle Änderung des Brechungsindex im Kern, 'Lichtstrahlen' laufen auf 'geschwungenen' Bahnen

Verschiedene Wellenleitermoden, aber alle mit gleicher Gruppengeschwindigkeit.

n2

n(r)

n2


gekrümmte Lichtstrahlen bei kontinuierlichen Brechungsindexänderungen

Berg erscheint höherals er wirklich ist

Autor

14.6.2012


Lichtquellen

FeuerLichtemission von angeregten Gasmolekülen +

Schwarzkörperstrahlung nach Planck

GlühlampeSchwarzkörperstrahlung nach Planck

GasentladungsröhrenLichtemission von angeregten Gasmolekülen oder Atomen

LeuchtstoffröhrenGasentladungsröhren mit Fluoreszenz von Leuchtstoffen auf

Glasinnenseite

LEDsLichtemission durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren

LaserFestkörperfluoreszenzGasentladungFlüssigkeitsfluoreszenzRekombinationsstrahlung

Autor

12.6.2013


Spontane Emission von Licht durch angeregtes Atom• Grundzustand

Energie E1

• angeregter Zustand Energie E2

• Übergang in den Grundzustand mit Emission von Photon

Quantenenergie:h=E2-E1

Anregung durch verschiedene Prozesse möglich:

• Zusammenstoß mit anderen Teilchen

• Absorption von Lichtquant


Fluoreszenz

Energieniveaus für Elektronen in angeregten Zuständen

Energ

ie

Grundzustand

Photon Eph = hc/

EmissionAbsorption

Phot

on E ph

= h

c/

E=EPh E=EPh

E=EPh

Phononen = Wärmeerzeugung


Floureszenzbei Beleuchtung mit Glühlampe:

bei Beleuchtung mit "Schwarzlicht" (UV):

Schwarzlicht-Röhre

Uranglas


Grundlagen zum Verständnis des Lasers

Absorption, sowie spontane und induzierte Emission von Licht


Grundlagen zum Verständnis des Lasers

Fluoreszenzspontane

Emission

Damit Laser möglich wird: Besetzungsinversion N3 > N2

nur dann kann induzierte Emission überwiegen

Zustand mit langer Lebensdauer; metastabil

N2

N3


Klassischer Laser (z.B. Rubinlaser, gepulst)

Bei konzertierter Fluoreszenz: Laseraktion

Blitzlampen als Pumplichtquelle

Optischer Resonator zur Erzeugung von Rückkopplung


1) optisches Pumpengepulst oder kontinuierlich

mit Blitzlampe (Rubinlaser) oder anderem Laser (Farbstofflaser)

2) durch Gasentladung (z.B. He-Ne-LaserCO2-Laser, bis kW!)

3) elektrisches Pumpen durch Strom in p-n-Übergang (Laserdiode)

Laser Pumpmethoden

n p

Rekombination

Elektronenstrom

Löcherstrom

Festkörperoder Flüssigkeit


Vertikale Laserdiodenstruktur


Laserpointer mit LaserdiodeRot = 635 -680 nmBlau = 405-420 nmOrange = 593 nm


Grüner Laserpointer Diode Pumped Solid State Laser mit Frequenzverdoppelung: nm

IR-Laserdiode: 808nm

Frequenzverdoppler 532nm KTP = Kaliumtitanylphosphat

Diodengepumper Laserkirstall 1064nmNd:YVO4 = Neodym-Yttrium-Vanadat


Eigenschaften und Anwendungen von Lasern

Eigenschaft Bedeutung Anwendung

monochromatisches Licht

nur eine Wellenlänge

gezielte Anregung bestimmter Energieniveaus

kohärentes Licht alle Photonen schwingen in Phase

Interferometrie, Längenmessungen mit Lichtauf winzigen Raum fokussierbar

hohe Energiedichte berührungslos,zielgenau

Schneiden, SchweißenCDs brennen etc.

kurze Pulse möglich bis unter Pikosekunden

Datenübertragung, KurzzeitmessungBeobachtung sehr schneller Vorgänge

Autor

18.6.2013 (30 Minuten übrig)

prof. dr. h. graßl, angewandte physik 1 angewandte physik optik

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