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2022 | Buch

Photonik

Eine Einführung in die Grundlagen

verfasst von: Georg A. Reider

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Buch vermittelt eine umfassende Einführung in die Photonik, von den elektrodynamischen und quantenmechanischen Fundamenten bis zu photonischen Komponenten und Geräten wie Lasern, Verstärkern, Modulatoren, Wellenleitern, integrierter Optik und Detektoren.

Das Werk versteht sich sowohl als Lehrbuch als auch als Referenz-Handbuch für den fortgeschrittenen Studierenden, Wissenschafter und Ingenieur. Alle theoretischen Ergebnisse werden aus fundamentalen Prinzipien hergeleitet. Dabei werden moderne und leistungsfähige mathematische Werkzeuge verwendet, wodurch nicht nur ein vertieftes Verständnis des Stoffes erreicht wird, sondern auch eine Vertrautheit mit Formalismen der einschlägigen Fach- und Forschungsliteratur geschaffen wird.

Der vermittelte Stoff umfasst Polarisationsoptik, optisch anisotrope Medien, Interferenz mit besonderer Betonung von Vielschicht-Systemen, Impuls- und Strahlausbreitung, dielektrische Wellenleiter, Licht-Materie-Wechselwirkung (klassisch und semi-klassisch), stationäres und transientes Verhalten von Laserverstärkern und optischen Oszillatoren, Halbleiteroptik einschließlich zwei- und eindimensionaler Systeme, Photodetektion einschließlich statistischer Aspekte, Photometrie und Kolorimetrie sowie alle wesentlichen Bereiche der nichtlinearen Optik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Licht als elektromagnetische Welle
Zusammenfassung
Im Rahmen der elektrodynamischen Theorie wird Licht wie alle anderen Formen elektromagnetischer Strahlung als ein gekoppeltes System aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld beschrieben. Die Wechselwirkung der Felder mit Materie wird dabei rein phänomenologisch durch die induzierte Polarisierung und Magnetisierung des Mediums berücksichtigt; uber die innere Struktur der Materie werden keine Annahmen gemacht, selbst der Begriff des Elektrons als Elementarladung ist nicht Bestandteil dieser Theorie. Die Gleichungen, welche die Kopplung zwischen den Feldern sowie die makroskopischeWechselwirkung der Felder mit Materie beschreiben, finden in den Maxwell-Gleichungen ihre Zusammenfassung. Eine Konsequenz dieser Gleichungen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, die im Vakuum, unabhängig von ihrer Frequenz, c0≈3×108 m s−1 beträgt.
Georg A. Reider
Kapitel 2. Ebene Wellen in Materie
Zusammenfassung
Die Wellenausbreitung im Vakuum und in homogenen, isotropen Medien ist in Kapitel 1 in ihren wesentlichen Grundzügen beschrieben worden. Wir wollen uns nun mit dem wichtigen Fall des Übergangs zwischen dem freien Raum und einem Medium bzw. zwischen zwei Medien beschäftigen.
Georg A. Reider
Kapitel 3. Optische Strahlen und Impulse
Zusammenfassung
In der bisherigen Behandlung der Wellenausbreitung haben wir uns auf ebene monochromatische Wellen konzentriert. Ihre Bedeutung liegt in der großen formalin Einfachheit, insbesondere bei der Behandlung von Randwertproblemen (Reflexion und Transmission) und polarisationsoptischen Phänomenen (Ausbreitung in anisotropen Medien, optische Aktivität etc.). Diese Phänomene sind eng mit der vektoriellen Natur des Lichtfeldes verknüpft und die einfachen Polarisationsverhältnisse ebener Wellen erlauben eine unkomplizierte Behandlung.
Georg A. Reider
Kapitel 4. Interferenz
Zusammenfassung
Nach dem Superpositionsprinzip ist das Gesamtfeld, das aus einer Überlagerung elektromagnetischer Felder resultiert, gleich der (vektoriellen) Summe der Einzelfelder. Dieser Ansatz setzt die Linearität der Wellengleichung und damit die Unabh ängigkeit der Suszeptibilität χ von der elektrischen Feldstärke voraus, was für Felder, die im Vergleich zu den inneratomaren Feldern sehr klein sind, meist gerechtfertigt ist.
Georg A. Reider
Kapitel 5. Dielektrische Wellenleiter
Zusammenfassung
In der Photonik spielt die Führung elektromagnetischerWellen in sog.Wellenleitern eine zentrale Rolle. Der große Erfolg der optischen Nachrichtentechnik wäre ohne die Verfügbarkeit verlustarmer optischer Wellenleiter undenkbar.
Georg A. Reider
Kapitel 6. Wechselwirkung Licht/Materie
Zusammenfassung
Das klassische lineare Oszillator-Modell, das in Abschnitt 2.2.1 behandelt wurde, gibt qualitativ einige sehr gute Einsichten in die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Über die Lage und Stärke der Absorptionslinien können daraus jedoch keine zuverlässigen Angaben gewonnen werden. Dazu müssen wir die Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld und den Elektronen als den maßgeblichen Trägern der optischen Eigenschaften im Rahmen der Quantenmechanik untersuchen.
Georg A. Reider
Kapitel 7. Optische Oszillatoren
Zusammenfassung
Durch positive (gleichphasige) Rückkopplung kann ein Verstärker zu einem Oszillator gemacht werden. Im optischen Fall erfolgt die Rückkopplung i.A. durch Spiegel, zwischen denen das von einer Pumpquelle angeregte Verstärker-Medium angeordnet wird (Abb. 7.1). Obwohl sich das Akronym ‘Laser’ eigentlich nur auf den stimulierten Verstärkungsprozess bezieht, hat sich diese Bezeichnung vor allem für den optischen Oszillator durchgesetzt.
Georg A. Reider
Kapitel 8. Nichtlineare Optik und Akustooptik
Zusammenfassung
Die nichtlineare Optik beschäftigt sich mit den Phänomenen, die aus der Abhängigkeit der optischen Materialeigenschaften vom einwirkenden elektromagnetischen Feld selbst resultieren. In einem umfassenden Sinn gehören die Sättigung von Absorption und Verstärkung ebenso dazu wie der elektrooptische Effekt (bei dem ein Gleichfeld die Änderung des Ausbreitungsindex bewirkt), der optische Kerr-Effekt (der u.a. für die Solitonenausbreitung verantwortlich ist), sowie die nichtlineare Kopplung zwischen Wellenfeldern, die u.a. zur Generation von Mischfrequenzen und Oberwellen (sog. Harmonischen) führt. Während die genannten Sättigungsprozesse mit Besetzungsänderungen der Energiezustände des Mediums verbunden sind und daher auf mehr oder weniger diskrete Photon-Energien beschränkt sind, können die anderen, sog. parametrischen Prozesse bei beliebigen Frequenzen auftreten.
Georg A. Reider
Kapitel 9. Geometrische Optik
Zusammenfassung
Zweidimensionalen hochauflösende Lichtdetektoren sind die Grundlage der bildgebenden Photonik. Zwar lassen sich Abbilder von Objekten auch durch optische Abtastverfahren mit Laserstrahlen erzeugen (wofür der Detektor keinerlei Ortsauflösung benötigt), der überwiegende Teil der optischen Bildgebung erfolgt aber durch klassische Kameras mit elektronischem Detektorfeld, gegebenenfalls mit vorgesetzten optischen Instrumenten wie Mikroskopen, Teleskopen und Endoskopen. Zur Analyse und zum Design dieser Komponenten ist der Formalismus der geometrischen Optik gut geeignet.
Georg A. Reider
Kapitel 10. Photodetektion
Zusammenfassung
Die in der Photonik eingesetzten Detektoren messen durchwegs die einfallende Strahlungsenergie- bzw. -leistung und nicht, wie in der HF-Technik, die elektrische Feldstärke. Die Strahlungsenergie wird dabei vom Detektor absorbiert und in andere Energieformen umgewandelt; die Lichtquanten werden bei der Detektion also vernichtet.
Georg A. Reider
Backmatter
Metadaten
Titel
Photonik
verfasst von
Georg A. Reider
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-62163-9
Print ISBN
978-3-662-62162-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-62163-9