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2008 | Book

Lichtstrahlen Read chapter Read first chapter

Optik, Licht und Laser

Author: Prof.Dr.rer.nat. Dieter Meschede

Publisher: Vieweg+Teubner

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Table of Contents

Frontmatter
1. Lichtstrahlen
auszug
Die Entstehung eines Bildes gehört zu den faszinierenden sinnlichen Erfahrungen eines Menschen. Schon im Altertum wurde erkannt, daß unser „Sehen“ von sich geradlinig ausbreitenden Lichtstrahlen getragen wird, denn jedermann kannte die scharfen Schatten beleuchteter Objekte. Allerdings kann die geradlinige Ausbreitung durch bestimmte optische Elemente auch beeinflußt werden, zum Beispiel durch Spiegel und Linsen. Das Wissen über die geometrische Optik führte nach den Erfolgen von Tycho Brahe (1546 – 1601) zur konsequenten Konstruktion von Vergrößerungsgläsern, Mikroskopen und Fernrohren. Alle diese Instrumente dienen als Sehhilfe. Durch ihre Unterstützung wurden uns „Einsichten“ vermittelt, die in besonderer Weise zu unserem naturwissenschaftlichen Weltbild beigetragen haben, weil sie uns Beobachtungen sowohl in der Welt des Mikrokosmos als auch des Makrokosmos ermöglicht haben.
2. Wellenoptik
Auszug
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren einige Phänomene bekannt, die sich mit der einfachen geradlinigen, strahlenförmigen Ausbreitung von Licht nicht in Einklang bringen ließen und eine Wellentheorie erforderten. Am Anfang steht das Huygenssche Prinzip des holländischen Mathematikers und Physikers C. Huygens (1629–1695), eine bis heute viel gebrauchte anschauliche Erklärung der Wellenausbreitung. Etwa 100 Jahre später entwickelten T. Young (1773 1829) aus England und A.P. Fresnel (1788–1827) aus Frankreich eine sehr erfolgreiche Wellentheorie, die alle damals bekannten Phänomene der Interferenz beschreiben konnte. Nachdem G. Kirchhoff (1824–1887) dem Huygensschen Prinzip eine mathematische Formulierung gegeben hatte, kam der endgültige Durchbruch mit den berühmten Maxwellschen Gleichungen, die auch hier als systematische Grundlage der Wellentheorie des Lichtes dienen sollen.
3. Lichtausbreitung in Materie
Auszug
Wir haben gesehen, daß wir die Brechung an dielektrischen Grenzflächen wie zum Beispiel an einer Glasscheibe mit Hilfe phänomenologisch eingeführter Brechzahlen beschreiben können. Andererseits können wir die Brechung auch als Antwort der Glasscheibe auf die einfallende elektromagnetische Lichtwelle betrachten. Das elektrische Feld verschiebt die geladenen Bestandteile des Glases und verursacht dadurch eine dynamische Polarisation. Diese strahlt ihrerseits eine elektromagnetischen Welle ab und wirkt durch Interferenz auf die einfallende Lichtwelle zurück. Hier behandeln wir die Materieeigenschaften mit makroskopisch-phänomenologischen Brechzahlen. Grundzüge des Zusammenhangs mit einer mikroskopischen Theorie werden in Kap. 6 vorgestellt.
4. Abbildungen
Auszug
Abbildungen gehören traditionell zu den wichtigsten Anwendungen der Optik. Ihr Grundelement ist die Sammellinse, die bei einer stigmatischen Abbildung alle Strahlen, die von einem Punkt ausgehen, wieder in einem Punkt zusammenführt. Mit Hilfe der Geometrie (Abb. 4.1) können wir die wichtigsten Eigenschaften der (reellen) optischen Abbildung zu verstehen:
  • Ein achsenparalleler Strahl wird von einer Sammellinse durch den Brennpunkt gelenkt.
  • Ein Strahl, der durch den Brennpunkt die Linse erreicht, verläßt die Linse parallel zur Achse.
  • Strahlen durch den Mittelpunkt der Linse werden nicht gebrochen.
5. Kohärenz und Interferometrie
Auszug
Das Superpositionsprinzip aus Abschn. 2.1.6 liefert die Voraussetzung, um die Überlagerung von Wellenfeldern zu behandeln, und man könnte Interferometrie und Kohärenz einfach als Teil der Wellenoptik behandeln, als Ausführungen des Superpositionsprinzips. Ganz entscheidend wird die Überlagerung in der Interferometrie aber von den Phasenbeziehungen der Teilwellen bestimmt. Wegen ihrer enormen Bedeutung gönnen wir diesen Aspekten der Wellenoptik ein eigenständiges Kapitel, und insbesondere wollen wir dabei auch dem etwas sperrigen Kohärenzbegriff selbst Rechnung tragen.
6. Licht und Materie
Auszug
Eine elektromagnetische Welle beschleunigt elektrisch geladene Teilchen in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern, sie erzeugt Polarisierungen und Ströme. Die beschleunigten Ladungen verursachen ihrerseits wieder ein Strahlungsfeld, das sich dem eingestrahlten Feld überlagert. Zum Verständnis der makroskopischen optischen Eigenschaften kommt man deshalb nicht ohne eine mikroskopische Beschreibung der Polarisierungseigenschaften der Materie aus, die nur mit der Quantentheorie möglich ist. Dennoch hat die klassische theoretische Physik viele optische Phänomene durch phänomenologische Ansätze erklären können.
7. Laser
Auszug
Der Laser hat sich zu einem wichtigen Instrument nicht nur in der physikalischen Forschung, sondern weit darüberhinaus in fast allen Bereichen des täglichen Lebens entwickelt. Mehr als 50 Jahre nach der experimentellen Realisierung des ersten Lasers kommt man kaum noch daran vorbei, ihn zu den wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts zu zählen.
8. Laserdynamik
Auszug
Wir wollen uns in diesem Kapitel den dynamischen Eigenschaften der Laserlichtquellen widmen, zum Beispiel der Antwort des Lasersystems auf Veränderungen der Betriebsparameter oder den Schwankungen von Amplitude und Phase. Dazu müssen wir zunächst den Zusammenhang von mikroskopischen Eigenschaften des Lasersystems und makroskopischen Meßgrößen wie Intensität und Phase theoretisch untersuchen.
9. Halbleiter-Laser
Auszug
Schon unmittelbar nach der Demonstration von Rubin-(1960) und Helium-Neon-Laser (1962) wurde auch die Lasertätigkeit von Dioden oder „Halbleiter-Lasern“ vorhergesagt1 und wenig später im Experiment realisiert. Es hat aber mehr als 20 Jahre gedauert, bis diese Komponenten zu kommerziell erfolgreichen Produkten geworden sind, weil eine Vielzahl technologischer Probleme zu überwinden war. So konnten zum Beispiel die ersten Laserdioden nur bei kryogenischen Temperaturen betrieben werden, während Anwendungen i. Allg. Betriebstemperaturen in der Nähe der Raumtemperatur fordern. Außerdem war GaAs das erste bedeutende Material zur Herstellung von Laserdioden und nicht Silizium, das ansonsten die Halbleitertechnologie dominiert. Laserdioden zählen zu den wichtigsten „optoelektronischen“ Komponenten, weil sie die direkte Umwandlung eines Stromes in (kohärentes!) Licht erlauben. Es gibt daher zahllose physikalische, technische und wirtschaftliche Gründe, diesen Komponenten und Lasersystemen ein eigenes Kapitel zu widmen.
10. Sensoren für Licht
Auszug
Die Anwendung von optischen Instrumenten ist ganz wesentlich davon abhängig, wie empfindlich sich Licht mit Hilfe geeigneter Empfänger nachweisen läßt. Dabei sind wir vom menschlichen Auge, das — bei allen Schwächen seiner Abbildungsoptik — ein enorm empfindlicher und vielseitiger Empfänger ist, durchaus verwöhnt.
11. Laserspektroskopie
Auszug
Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe. Wir werden uns hier auf vollständig optische Methoden beschränken, d.h. die Fluoreszenz einer angeregten Probe oder Absorption und Dispersion eines Sondenstrahls; es gibt aber zahllose alternative Nachweisverfahren, bei denen zum Beispiel die Wirkung auf akustische oder elektrische Eigenschaften untersucht wird. Für einen breiteren Überblick über das umfangreiche Gebiet der Laserspektroskopie verweisen wir zum Beispiel auf [42].
12. Grundzüge der Quantenoptik
Auszug
Die Quantenoptik1 im engeren Sinne befaßt sich mit der Frage, wann die Quanteneigenschaften des elektromagnetischen Feldes (und nicht nur der Materie) bei der Licht-Materie-Wechselwirkung eine wahrnehmbare Rolle spielen. Dabei werden Begriffe wie „Photon“, „stimulierte“ und „spontane“ Emission über die schon in Kap. 6 hinaus gegebenen Deutungen zu klären sein. Am Beginn dieses Kapitels behandeln wir die Spontane Emission, die auch bei der Entstehung der Quantenelektrodynamik (QED) eine wichtige Rolle gespielt hat.
13. Nichtlineare Optik I: Optische Mischprozesse
Auszug
In den bisherigen Fällen haben wir meistens Polarisationen betrachtet, die linear mit dem treibenden Feld zusammenhängen. Die Theorie des linearen Responses war auch vollkommen ausreichend, solange nur klassische Lichtquellen zur Verfügung standen. Seit der Erfindung des Lasers Können wir aber Materieproben so stark antreiben, daß außer den linearen Beiträgen wie in Gl.(6.12) auch nichtlineare Beiträge zur Polarisation auftreten.
14. Nichtlineare Optik II: Vierwellenmischung
Auszug
In Analogie zu den 3-Wellen-Mischprozessen ist es nicht mehr schwer, die Typologie für 4-Wellen-Phänomene zusammenzustellen. Drei der vier Wellen erzeugen eine Polarisation
$$ P_i (\omega ) = \varepsilon _0 \chi _{ijk\ell }^{(3)} (\omega ;\omega _1 ,\omega _2 ,\omega _3 )E_j (\omega _1 )E_k (\omega _2 )E_\ell (\omega _3 ). $$
die durch die Suszeptibilität dritter Ordnung charakterisiert wird. Dieser Tensor 4. Stufe besitzt bis zu 81 unabhängige Komponenten und soll deshalb nicht einmal mehr den allgemeinen Symmetriebetrachtungen unterzogen werden, die sich bei der Suszeptibilität zweiter Ordnung noch einigermaßen darstellen ließen. Sie sind bei Bedarf der einschlägigen Spezialliteratur zu entnehmen. Stattdessen wird es nun von vornherein wichtig sein, Spezialfälle zu betrachten. In der formalen Behandlung ergeben sich im Vergleich zur S-Wcllcnmischung keine grundsätzlich neuen Aspekte, lediglich die Anzahl der gekoppelten Amplitudengleichungen wird um eins erhöht.
Backmatter
Metadata
Title
Optik, Licht und Laser
Author
Prof.Dr.rer.nat. Dieter Meschede
Copyright Year
2008
Publisher
Vieweg+Teubner
Electronic ISBN
978-3-8348-9288-1
Print ISBN
978-3-8351-0143-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9288-1

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