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2012 | Buch

Licht als elektromagnetische Welle Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Photonik

Eine Einführung in die Grundlagen

verfasst von: Georg A. Reider

Verlag: Springer Vienna

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die Photonik beschäftigt sich mit der kontrollierten Erzeugung, Ausbreitung, Manipulation und Detektion von – vorwiegend kohärenten – Lichtfeldern. Das Buch vermittelt ein fundiertes Verständnis dieses modernen Wissensgebietes, von den physikalischen Grundlagen bis zur Ebene der photonischen `Bauelemente': Laser, Verstärker, Wellenleiter, Modulatoren und Schalter, Interferometer, Detektoren etc. Gegenüber der zweiten Auflage wurde dieses bei Studierenden und Praktikern, Technikern und Physikern gleichermaßen beliebte Werk revidiert und aktualisiert, wobei didaktische Erfahrungen an der TU Wien eingeflossen sind. Außerdem wurden weitere Themen aus der Nichtlinearen Optik, Polarisationsoptik, Fourier-Optik, Farbmesstechnik sowie der free electron laser aufgenommen. Sämtliche theoretischen Ergebnisse werden aus fundamentalen Grundlagen hergeleitet, wobei der Leser auch mit modernen Werkzeugen zur Analyse photonischer Komponenten vertraut gemacht wird und so der Weg zur Rezeption der einschlägigen Spezialliteratur aus Lasertechnik, optischer Nachrichtentechnik, Sensorik, Materialbearbeitung oder Laser-Medizintechnik etc geebnet wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
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. Die Gleichungen, welche die Kopplung zwischen den Feldern sowie die makroskopische Wechselwirkung der Felder mit Materie beschreiben, finden in den Maxwellschen Gleichungen ihre Zusammenfassung.
Georg A. Reider
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 solchen Medium bzw. zwischen zwei derartigen Medien beschäftigen. Eine elektromagnetische Welle, die aus dem Vakuum in ein dielektrisches Medium eindringt, regt dort eine oszillierende Polarisation an, die ihrerseits zur Quelle eines sekundären abgestrahlten Feldes wird.
Georg A. Reider
3. Strahl- und Impulsausbreitung
Zusammenfassung
In der bisherigen Behandlung der Wellenausbreitung haben wir unser Interesse auf ebene Wellen konzentriert. Ihre Bedeutung liegt in der großen formalen Einfachheit, insbesondere bei der Behandlung von Randwertproblemen (Reflexion und Transmission) und polarisationsoptischen Phänomenen (Doppelbrechung, elektrooptischer Effekt etc.). Diese Phänomene sind eng mit der vektoriellen Natur des Lichtfeldes verknüpft und die einfachen Polarisationsverhältnisse ebener Wellen erlauben eine unkomplizierte Behandlung. In der Photonik spielen daneben strahlartige Felder eine herausragende Rolle. In diesem Abschnitt wollen wir uns mit der Ausbreitung derartiger Wellen unter Einschluss ihrer Modifikation durch verschiedene optische Komponenten beschäftigen.
Georg A. Reider
4. Interferenz optischer Felder
Zusammenfassung
Das Gesamtfeld, das aus einer Superposition elektromagnetischer Felder resultiert, kann i.a. ermittelt werden, indem die (vektorielle) Summe der Einzelfelder gebildet wird. Dieses Superpositionsprinzip setzt die Linearität der Wellengleichung und damit die Feldunabhängigkeit der Suszeptibilität χ voraus, was für Felder, die im Vergleich zu den inneratomaren Feldern sehr klein sind, praktisch immer gerechtfertigt ist. Im optischen Spektralbereich wurde es allerdings erst mit der Entwicklung der Attosekunden-Technologie möglich, die Feldstärke direkt zu messen. Alle konventionellen optischen Detektoren (z.B. photographische Schichten, Photoelektron-Vervielfacher, Photodioden und photochemische Detektoren wie das Auge) sind dazu viel zu langsam und liefern ein Signal, das letzten Endes durch die im Detektor absorbierte Leistung bestimmt ist, welche nach Gl. (1.65) quadratisch in der Feldstärke ist.
Georg A. Reider
5. Dielektrische Wellenleiter
Zusammenfassung
In der Photonik spielt die Führung elektromagnetischer Wellen in sog. Wellenleitern eine zentrale Rolle. Der große Erfolg der optischen Nachrichtentechnik wäre ohne die Verfügbarkeit verlustarmer optischer Wellenleiter undenkbar. Im Gegensatz zur konventionellen Hochfrequenztechnik, wo zur Wellenleitung i.a. metallische Hohlleiter verwendet werden, gelangen im optischen Wellenlängenbereich praktisch ausschließlich dielektrische Wellenleiter zum Einsatz. Der Tendenz von gebündelten Wellen, sich bei der Ausbreitung räumlich aufzuweiten, wird dabei durch eine laterale Variation des Brechungsindex im Medium begegnet, deren Wirkung je nach Brechungsindexverlauf als Wellenführung durch Totalreflexion oder als Kompensation der Aufweitung durch eine verteilte Linsenwirkung des Mediums verstanden werden kann.
Georg A. Reider
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 Resonanzen können daraus jedoch keine zuverlässigen Angaben gewonnen werden. Wir wollen daher die Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld und den Elektronen als den maßgeblichen Trägern der optischen Eigenschaften im Rahmen der Quantenmechanik untersuchen.
Georg A. Reider
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. Obwohl sich das Akronym "Laser" eigentlich nur auf den stimulierten Verstärkungsprozess bezieht, hat sich diese Bezeichnung auch für den optischen Oszillator durchgesetzt. Die große Vielfalt von unterschiedlichen Verstärker-Medien erlaubt keine durchwegs einheitliche Behandlung aller Lasertypen. Vor allem ist zwischen Lasern auf atomarer (bzw. molekularer) Basis einerseits und Halbleiter-Lasern andererseits zu unterscheiden.
Georg A. Reider
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
9. Photodetektion
Zusammenfassung
Die in der Photonik eingesetzten Detektoren sind durchwegs Energie- bzw. Leistungsdetektoren. Die elektromagnetische Energie wird vom Detektormaterial absorbiert und dabei in andere Energieformen umgewandelt; die Lichtquanten werden bei der Detektion also vernichtet. Eine spezielle Klasse von Strahlungsdetektoren beruht auf der Umwandlung der Strahlungsenergie in thermische Energie und der Messung der resultierenden Temperaturerhöhung. Solche Detektoren werden vor allem im mittleren und fernen Infrarot eingesetzt. Im Spektralbereich der Photonik, also bei Wellenlängen zwischen ca. 200 nm und 2 µm, werden jedoch vor allem Quantendetektoren verwendet, in denen durch den photoelektrischen Effekt Ladungsträger von einem nichtmobilen Grundzustand in einen angeregten mobilen Zustand versetzt werden und die veränderte Ladungsträgerdichte bzw. Mobilität elektronisch gemessen wird.
Georg A. Reider
Backmatter
Metadaten
Titel
Photonik
verfasst von
Georg A. Reider
Copyright-Jahr
2012
Verlag
Springer Vienna
Electronic ISBN
978-3-7091-1521-3
Print ISBN
978-3-7091-1520-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-7091-1521-3

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