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Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 1 Angewandte Physik Optik.

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Präsentation zum Thema: "Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 1 Angewandte Physik Optik."—  Präsentation transkript:

1 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 1 Angewandte Physik Optik

2 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 2 Elektromagnetische Wellen Beschleunigte Ladungen führen zu elektromagnetischen Wellen + -

3 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 3 Licht: Elektromagnetische Wellen und Quanten Wellenlänge und Frequenz Lichtquantenenergie und Frequenz Planck'sche Konstante h = 6, · Js,

4 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik THz 750 THz Einordnung von Licht in Gesamtspektrum elektromagnetischer Wellen MHz GHz THz FIR

5 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 5 sichtbares Licht Augenempfindlichkeit V( ) V( max )= 100% max = 555nm (gelbgrün)

6 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 6 Augenempfindlichkeit linear und logarithmisch Grenzen des Bereiches sichtbaren Lichtes je nach Helligkeit des Lichtes 380 nm780 nmWellenlänge l /nm

7 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 7 Sonnenspektrum Augenempfindlichkeitskurve

8 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 8 Angewandte Physik Geometrische Optik

9 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 9 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/Wellenlänge z.B. 5mm/0,5µm = 10 4

10 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 10 Reflexion des Lichtes Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl bilden eine Ebene Einfallswinkel = Reflexionswinkel

11 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 11 Spiegelung Strahlengang von Gegenstandspunkt über Spiegel zu Auge nimmt kürzest möglichen Weg (Fermat'sches Prinzip)

12 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 12 Spiegelbild

13 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 13 Parabolspiegel Parabolspiegel zum Sammeln von parallelen Lichtstrahlen in einem Punkt Für jeden Strahl ist der Weg zum Brennpunkt F gleich lang Spiegelteleskop

14 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 14 Licht in Medium hat geringere Phasengeschwindigkeit als in Vakuum Brechung an ebenen Grenzflächen Beim Übergang zum dichteren Medium (Lichtgeschwindigkeit c' < c) wird Strahl zum Lot hin gebrochen Brechungsindex Brechung des Lichtes l l'l' c c' r=1 Frequenz bleibt gleich, aber Wellenlänge hängt vom Medium ab.

15 Brechung des Lichtes: Erklärung mit Hilfe von Elementarwellen Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 15

16 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 16 Licht in Medium hat geringere Phasengeschwindigkeit als in Vakuum Brechung des Lichtes Erklärung mit Fermatschem Prinzip c (schneller) c' (langsamer) Auch hier gilt Fermat'sches Prinzip: Licht nimmt kürzesten (= schnellstmöglichen) Weg! A B

17 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 17 Lichtausbreitung ist umkehrbar Lichtstrahl von A nach B und Lichtstrahl von B nach A nehmen denselben Weg Lichtstrahl von A nach C und Lichtstrahl 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! c (schneller) c' (langsamer) A B C

18 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 18 Brechungsindizes verschiedener Stoffe

19 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 19 Dispersion: Abhängigkeit des Brechungsindex von Wellenlänge Normale Dispersion: kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges Licht

20 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 20 Brechung an ebenen Grenzflächen Beim Übergang vom dichteren Medium zum dünneren tritt ab einem Grenzwinkel Totalreflexion ein Grenzwinkel der Totalreflexion Totalreflexion n 1 > n 2 n2n2 Totalreflexion Grenzwinkel der Totalreflexion Beispiel Glas/Luft: n Glas » 1,5 Þ e g » 41,8°

21 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 21 Beispiel für Totalreflexion: Umlenkprisma 100% Reflexion; besser als Metallspiegel Metall absorbiert, oxidiert (wird matt) Metallspiegel werden von intensiver Laserstrahlung zerstört nicht verspiegelte polierte Glasfläche Lichtwelle hat "Saum" über die Grenzfläche hinaus Elektrisches Feld nimmt exponentiell mit Abstand von Grenzfläche ab Schmutz auf der Fläche absorbiert Licht teilweise!

22 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 22 Beispiel: Umkehrprisma (Wendeprisma) erzeugt spiegelverkehrtes Bild Spiegel

23 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 23 Beispiel: Totalreflexion in Stufenindex-Lichtleitfaser weitergehende Betrachtung des Wellenleiters nach Wellenoptik siehe unten

24 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 24 Linsen Sphärische Linsen einfach und präzise herzustellen ebenso ebene Flächen schwieriger: ashpärische Linsen

25 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 25 Typen von Linsen bi-konkav bi-konvex konkav-konvex

26 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 26 Schleifen von sphärischen Linsen

27 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 27 asphärische Linsen

28 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 28 Herstellungstechniken für Asphärische Linsen a) Schleifen und Polieren mit computergesteuertem Diamant-Drehautomat b) Heißverformen einer sphärischen Linse in asphärischer Pressform c) Vervielfältigung durch Polymergusstechniken (UV-härtende Polymere)

29 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 29 Konstruktion eines Bildpunktes Strahl durch Linsenmitte (2) Strahl durch vorderen Brennpunkt (3) Strahl parallel zu optischer Achse (1) Abbildung durch dünne Sammellinse Gegenstandsweite Brennweite Bildweite Gegenstand Bild Brennweite

30 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 30 Abbildung durch dünne Sammellinse Linsenformel Abbildungsmaßstab Abstand der Schärfeebene von Linse Näherung für große Objektabstände Strahlensatz! gb f

31 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 31 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

32 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 32 Abbildungsfehler Sphärische Aberration Chromatische Aberration Koma

33 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 33 Verzeichnung und Bildfeldwölbung Verzeichnung kissenförmigtonnenförmig Bildfeld- wölbung

34 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 34 Korrektur von Aberrationen Sphärische Aberration Asphärische Linse Strahlen treffen sich nicht exakt in einem Punkt

35 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 35 Korrektur von Abbildungsfehlern alle Abbildungsfehler geringer bei kleinerer Blende Linsensysteme ermöglichen Korrektur von Abbildungsfehlern Kombinationen von Sammel- und Zerstreuungslinsen Linsen aus verschiedene Glassorten Abnahme der Lichtdurchlässigkeit, unerwünschte Oberflächenreflexionen aspärische Linsen teuer herzustellen, ermöglichen Linsensysteme mit weniger Linsen

36 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik36 Optische Instrumente meist 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 verstellbar bei Entspannung des Muskels Fokussierung auf unendlich ( Lichtbündel aus parallel einfallenden Lichstrahlen)

37 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 37 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

38 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) Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 38 Astronomisches Spiegelteleskop Parabolspiegel Bildebene Stern A Stern B Stern A Stern B Stern A Stern B Bildsensor

39 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 39 Mikroskop Objektiv erzeugt (virtuelles) Zwischenbild Auge sieht Zwischenbild Auge ist entspannt und auf eingestellt Objekt wird unter sehr großem Winkel gesehen Objekt Objektiv Okular Zwischenbild (virtuell)

40 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 40 Fernrohr Kepler'sches Fernrohr Gegenstände erscheinen auf dem Kopf stehend Galileisches Fernrohr Gegenstände erscheinen aufrecht Objekt gesehenes Bild Zwischenbild (virtuell)

41 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 41 Vergrößerung des Fernrohrs

42 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 42 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

43 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 43 Wie 'hell' ist eine Lichtquelle (radiometrisch) Strahlungsleistung Φ e [W] (Strahlungsfluss durch eine Umrandung oder in einem Strahl) Strahlungsenergie Q e [Ws=J] über Zeit integriert Strahlstärke I e [W/sr] punktförmige Lichtquellen führen zu divergenten Lichtstrahlenbündeln (Lichtkegeln) mit Raumwinkel anwendbar für jede Wellenlänge, auch IR und UV

44 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 44 Strahlstärke I e (e) [W/sr] ist Funktion der Richtung ( e,j ) isotrop (z.B.Glühlampe) gerichtet (z.B. LED mit linsenförmigem Plastikkörper) Lambert'scher Strahler e 30° 15° 0° 90° 75° 60° 45° Strahlungsdiagramme Integration über alle Raumrichtungen Gesamtleistung (Strahlungsfluß) Φe [W] hier: rotationssymmetrisch um j j j j e

45 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 45 Beispiel Laserstrahl Gauß'scher Strahl

46 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 46 Strahlungsdichte L e Bei ausgedehnter Fläche des Strahlers jedes Flächenelement hat Strahlungsdiagramm Strahldichte = Strahlstärke pro Fläche in größerer Entfernung

47 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 47 Wie 'hell' ist eine bestrahle Fläche Bestrahlung = Bestrahlungsstärke mal Zeit Bestrahlungsstärke

48 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 48 zu jeder Strahlungsgröße X e entsprechende Größe X e,l z.B. spektrale Strahlungsleistung oder spektrale Strahlungsdichte Spektrale Größen relative spektrale Strahlungsleistung, typisch, Einheiten der y-Achse undefiniert

49 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 49 (spektraler) Lichtstrom (integraler) Lichtstrom Photometrie (mit der Augenempfindlichkeit bewertete Größen) K m = 683 Lm/W 100% 555 nm nm neue SI-Basiseinheit: 1 Lumen [1 lm] spektraler Strahlungs- fluss von 4 Lasern [W] Augenempfindlichkeitskurve V(l)

50 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 50 Photometrie (mit der Augenempfindlichkeit bewertete Größen) spektraler Lichtstrom Lichtstrom K m = 683 Lm/W

51 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 51 Lichtquellen und Beleuchtungssituationen Lichtstrom von Lichtquellen: Lumen Beleuchtungsstärke an Plätzen: Lux

52 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 52 Welche Spektren können Lichtquellen haben? auch Laserlinie hat eine spektrale Breite, die aber auf dieser Skala nicht auflösbar ist

53 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 53 a) Dauerstrich-Laser z.B. Laserdiode über sehr kurze Zeit betrachtet: df = 1MHz, =405nm |d |= 5,5x m dazu kommen zeitliche Schwankungen der Laserwellenlänge in Größenordnung von nm b) gepulster Laser, Pulsdauer extrem kurz (z.B. 1 ps) t l Unschärferelation: DfDt~1 Df = Hz, =500nm|d |= 0,8nm Linienbreite eines Lasers je kürzer die Pulsdauer desto größer die Linienbreite!

54 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 54 Farbmetrik 1.Spektrum des Sonnenlichtes 2.Spektrum einer weißen LED 3.Überlagerung von drei Lasern Alle drei Spektren sehen gleich aus: weiß

55 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 55 Wie sieht das Auge Farben? auch dieses Spektrum sieht weiß aus: drei Farbreizwerte RGB

56 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 56 Wie werden Grundfarben gemischt? Additive Farbmischung: Subtraktive Farbmischung: Mischung von Licht Mischung von Farbstoffen Grundfarben R,G,BGrundfarben Ye,Mg,Cy + Bk Cyan Magenta Gelb

57 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 57 Messung der Farbwerte unbekannte Lichtfarbe Lichtquellen in Grundfarben zum Mischen r · R g · G b · B

58 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 58 Kann man die reinen Regenbogenfarben (monochromatisches Licht) durch drei Laser als Grundfarbenquellen wiedergeben? Dieser Bereich lässt sich nicht mit nur positiven Koeffizienten zusammenmischen!! R=700nm; G=546,1nm; B=435,8nm ,1 0,2 0,3 0,4

59 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 59 Messung der Farbwerte unbekannte Lichtfarbe Lichtquellen in Grundfarben zum Mischen r · R g · G b · B

60 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 60 Um alle Farben mit positiven Koordinaten darzustellen: XYZ- Farbkoordinaten: CIE-Primärvalenzsystem virtuelles Primärvalenzsystem: Alle existierenden Farben haben positive Koeffizienten nicht alle Kombinationen von X,Y,Z entsprechen existierenden Farben keine existenten Farben

61 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 61 Wellenoptik Wellenphänomene des Lichtes: Polarisation Beugung Kohärenz Interferenz Huygens'sches Prinzip

62 Licht ist elektromagnetische Wellen, aber auch Teilchen inkohärentes Licht: Gasentladungen, Glühlicht Lichtquanten mit unterschiedlichen Wellenlängen und unkorrelierten Phasen Länge einer Wellenlänge: ~ 0,5µm Länge eines Wellenzuges: ~ 0,1- 1mm (Dauer z.B. ~ps) kohärentes Licht: Laser Schwingungszug unbegrenzter Länge Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik

63 Kohärenzlänge Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 63

64 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 64 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

65 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 65 Überlagerung von verschiedenen Polarisationen Polarisation: Zerlegung in Polarisationskomponenten durch Polarisator bei polarisiertem Licht lässt Polarisator nur die Komponente in der richtigen Polarisationsrichtung durch

66 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 66 Was ist zirkular polarisiertes Licht? Überlagerung zweier linear polarisierter Wellen, die um l /4 gegeneinander verzögert sind rechtsdrehend (in Ausbreitungsrichtung) linksdrehend entgegen der Ausbreitungs- richtung betrachtet

67 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 67 Reflexion und Transmission von Licht an Grenzflächen zwischen Medien mit verschiedenem Brechungsindex 1.Elektrische Feldstärke der reflektierten und der transmittierten Welle bei senkrechtem Einfall 2.Unterscheidung zwischen a) Polarisation senkrecht auf Einfallsebene und b)parallel zu Einfallsebene a)b)

68 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 68 Stärke der Reflexion an nichtmetallischen ("dielektrischen") Grenzflächen Energieerhaltung: Einfallende Intensität = transmittierte + reflektierte Intensität Transmissionskoeffizient T Reflexionskoeffizient R Spezialfall senkrechter Einfall auf Grenzfläche: Beispiel Luft / Glas n 1 = 1 ; n 2 =1,5 R = 4% pro Fläche Beispiel Luft / Silizium n 1 = 1 ; n 2 = 4 R = 36% pro Fläche

69 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 69 Stärke der Reflexion an nichtmetallischen (dielektrischen) Grenzflächen für zweierlei Polarisation allgemeiner Fall: Winkelabhängigkeit des Reflexionskoeffizienten R nach Fresnel'schen Formeln (siehe z.B. Wikipedia)siehe z.B. Wikipedia Schwingungsebene senkrecht zu Einfallsebene: R s Schwingungsebene parallel zu Einfallsebene: R p a) Lichteinfall aus optisch dünnerem Medium (Luft Festkörper) b) Lichteinfall aus optisch dichterem Medium (Festkörper Luft) 100% Transmission

70 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 70 Brewster-Winkel keine Reflexion von E || 1) Wenn Licht mit Polarisation parallel zur 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

71 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 71 Fresnel'sche Formeln aus Wikipedia Elektrische Feldstärken in transmittierter und reflektierter Lichtwelle Polarisation parallel zur Einfallsebene: Polarisation senkrecht zur Einfallsebene:

72 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 72 Beugung Geometrische Optik: ohne Beugung Wellenoptik: mit Beugung beugungsbegrenzter Fokusfleck Brennfleck ohne Ausdehnung Unschärfe! Blende f f

73 Laserstrahl mit Gauß-Funktion als Strahlprofil behält mit zunehmender Laufstrecke dieses Profil, weitet sich weniger auf als alle anderen möglichen Strahlprofile Gaußscher Laserstrahl Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 73 ebene Wellenfront kugelförmige Wellenfront Gaußsches Strahlprofil

74 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 74 Interferenz von zwei Wellen Überlagerung (=Addition) zweier Wellen: Überlagerung in Phase ( Dj = 0 ) Überlagerung gegenphasig ( Dj = p (= 180°) ) + = + = Verpoppelung der Amplitude konstruktive Interferenz Auslöschung der Amplitude destruktive Interferenz Phasenzeiger

75 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 75 Interferenz von zwei Wellen Überlagerung (=Addition) zweier Wellen: Überlagerung mit T/4 verschiebung ( Dj = 90° ) + = + = Phasenzeiger

76 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 76 Interferenz von vielen Wellen ohne Phasenverschiebung mit je 60° Phasenverschiebung Summe = 0

77 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 77 Huygens'sches Prinzip jeder Punkt einer Wellenfläche Ausgangspunkt einer Elementarwelle (Kugelwelle)

78 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 78 Überlagerung von Elementarwellen mit kleinem Phasenunterschied Dj Bei immer feinerer Unterteilung der Beiträge: mehr aber kürzere Pfeile im Grenzfall glatte Linie "Cornu-Spirale"

79 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 79 Beugung hinter einer Kante

80 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 80 Beugung an einem Spalt und die Wirkung von Interferenz Spaltbreite b D erste Auslöschung wenn Wegdifferenz D = l/2 n-te Auslöschung wenn D = n·l In welchen Richtungen gibt es Auslöschung? Huygens'sches Prinzip Verlauf der Amplitude als Funktion von Verlauf der Intensität als Funktion von

81 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 81 Konstruktive Interferenz = Beugungsmaximum, wenn Gangunterschied D = nl zwischen 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 g Spaltbreite b Linienbreite ~ 1/p Breite des Gitters p. g n=0 n=1 n=2 Linienabstand ~ 1/g

82 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 82 Linienschärfe und Strichzahl Je höher die Anzahl p der Striche eines Gitters, desto schärfer die Maxima konstruktiver Interferenz Bei Änderung des Winkels a erhöhen sich Gangunterschiede, bis beim nächsten Maximum wieder alle Phasen zusammenfallen Zwischenmaximum Beim ersten Minimum Gangunterschied

83 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 83 Konstruktive Interferenz = Beugungsmaximum, wenn Gangunterschied D = nl zwischen 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 g Spaltbreite b Linienbreite ~ 1/p Breite des Gitters p. g n=0 n=1 n=2 Linienabstand ~ 1/g

84 Beugungsgitter Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 84 Ablenkungswinkel

85 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 85 Reflexionsgitter als Beugungsgitter mit hoher Effizienz

86 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 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 86 Strahlprofil (Intensität) qualitativ Nahfeld (kompliziert) Fernfeld (Beugungs- muster)

87 Beugungsgitter Lichtablenkung in bestimmte Richtungen durch konstruktive Interferenz von sehr vielen (nahezu) Linienförmigen (Streu-) Lichtquellen, wenn Gangunterschied zwischen benachbarten Quellen ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 87

88 Beugung von Laserstrahl an Spuren einer CDR Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik Ordnung 0. Ordnung spiegelnde Reflexion 2. Ordnung

89 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 89 Interferenz an dünnen Schichten Antireflexionsschicht Dielektrischer Spiegel x x x Vorteil: (fast) keine Absorption sondern nur Reflexion und Transmission Wellenlänge bei n 1 : l 1 = l 0 /n 1

90 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 90 Interferenzfilter Reflektor Abstand Prinzip: Verhältnis abhängig von Wellenlänge Durch geeignete Kombinationen von Reflektoren und Abstandshaltern Frequenzgänge sehr vielfältig gestaltbar

91 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 91 Dielektrische Spiegel und Interferenzfilter Wärme- reflexionsglas Kaltlichtspiegel Interferenzfilter Breitbandentspiegelung Schichtdicke/Wellenlänge je nach Lichtfarbe unterschiedlich

92 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 92 n2n2 n1n1 n2n2 n2n2 n1n1 n2n2 Betrachtung eines Lichtwellenleiters nach Wellenoptik Stufenindex-Multimode Wellenleiter Grundmodus (1. Transversalmodus) 2. Transversalmodus in der Mitte: konstruktive Überlagerung am Rand: destruktive Überlagerung außerhalb der Grenzfläche: exponentieller Abfall

93 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 93 n2n2 n1n1 n2n2 Betrachtung eines Lichtwellenleiters nach Wellenoptik Stufenindex-Multimode Wellenleiter Monomode-Wellenleiter Wenn Faserkern sehr dünn, dann nur Grundmodus möglich schlecht: verschiedene Transversalmoden haben verschiedene Phasengeschwindigkeit

94 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 94 LWL mit Gradienten-Index-Profil Gradientenfaser: graduelle Änderung des Brechungsindex im Kern, 'Lichtstrahlen' laufen auf 'geschwungenen' Bahnen Verschiedene Wellenleitermoden, aber alle mit gleicher Gruppengeschwindigkeit. n2n2 n(r) n2n2

95 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 95 gekrümmte Lichtstrahlen bei kontinuierlichen Brechungsindexänderungen Berg erscheint höher als er wirklich ist

96 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 96 Lichtquellen Feuer Lichtemission von angeregten Gasmolekülen + Schwarzkörperstrahlung nach Planck Glühlampe Schwarzkörperstrahlung nach Planck Gasentladungsröhren Lichtemission von angeregten Gasmolekülen oder Atomen Leuchtstoffröhren Gasentladungsröhren mit Fluoreszenz von Leuchtstoffen auf Glasinnenseite LEDs Lichtemission durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren Laser Festkörperfluoreszenz Gasentladung Flüssigkeitsfluoreszenz Rekombinationsstrahlung

97 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 97 Spontane Emission von Licht durch angeregtes Atom Grundzustand Energie E 1 angeregter Zustand Energie E 2 Übergang in den Grundzustand mit Emission von Photon Quantenenergie: h =E 2 -E 1 Anregung durch verschiedene Prozesse möglich: Zusammenstoß mit anderen Teilchen Absorption von Lichtquant

98 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 98 Fluoreszenz Energieniveaus für Elektronen in angeregten Zuständen Energie Grundzustand Photon E ph = hc/ l 1 EmissionAbsorption Photon E ph = hc/ l 2 D E=E Ph Phononen = Wärmeerzeugung

99 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 99 Floureszenz bei Beleuchtung mit Glühlampe: bei Beleuchtung mit "Schwarzlicht" (UV): Schwarzlicht-Röhre Uranglas

100 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 100 Grundlagen zum Verständnis des Lasers Absorption, sowie spontane und induzierte Emission von Licht

101 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 101 Grundlagen zum Verständnis des Lasers Fluoreszenz spontane Emission Damit Laser möglich wird: Besetzungsinversion N 3 > N 2 nur dann kann induzierte Emission überwiegen Zustand mit langer Lebensdauer; metastabil N2N2 N3N3

102 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 102 Klassischer Laser (z.B. Rubinlaser, gepulst) Bei konzertierter Fluoreszenz: Laseraktion Blitzlampen als Pumplichtquelle Optischer Resonator zur Erzeugung von Rückkopplung

103 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 103 1) optisches Pumpen gepulst oder kontinuierlich mit Blitzlampe (Rubinlaser) oder anderem Laser (Farbstofflaser) 2) durch Gasentladung (z.B. He-Ne-Laser CO 2 -Laser, bis kW!) 3) elektrisches Pumpen durch Strom in p-n-Übergang (Laserdiode) Laser Pumpmethoden np Rekombination Elektronenstrom Löcherstrom Festkörper oder Flüssigkeit

104 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 104 Vertikale Laserdiodenstruktur

105 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 105 Laserpointer mit Laserdiode Rot = nm Blau = nm Orange = 593 nm

106 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 106 Grüner Laserpointer Diode Pumped Solid State Laser mit Frequenzverdoppelung: nm IR-Laserdiode: 808nm Frequenzverdoppler 532nm KTP = Kaliumtitanylphosphat Diodengepumper Laserkirstall 1064nm Nd:YVO 4 = Neodym-Yttrium-Vanadat

107 Prof. Dr. H. Graßl, Angewandte Physik 107 Eigenschaften und Anwendungen von Lasern EigenschaftBedeutungAnwendung monochromatisches Licht nur eine Wellenlänge gezielte Anregung bestimmter Energieniveaus kohärentes Lichtalle Photonen schwingen in Phase Interferometrie, Längenmessungen mit Licht auf winzigen Raum fokussierbar hohe Energiedichteberührungslos, zielgenau Schneiden, Schweißen CDs brennen etc. kurze Pulse möglichbis unter Pikosekunden Datenübertragung, Kurzzeitmessung Beobachtung sehr schneller Vorgänge


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