Wahlfach Angewandte Optik

Wahlfach Angewandte Optik Materialbearbeitung Biosensorik Photonik

Ziel und Aufbau des Wahlfaches Ziel des Wahlfaches Physikalischen Grundlagen zum Verständnis moderner Zweige der angewandten Optik Vermittlung experimenteller Fähigkeiten in drei angewandten Vertiefungsrichtungen, Praktikum, Projektarbeiten, Diplomarbeiten Inhaltlicher Aufbau Grundlagenteil, 10 Wochen Vertiefungs- richtung I: Optische Biosensorik Vertiefungs- richtung II: Faseroptische Sensorik und Messtechnik Vertiefungs- richtung III: Materialbearbeitung mit Hoch- leistungslasern

Vertiefung I: Optische Biosensoren Inhalt der Vertiefung in Biosensoren, Messtechnik Übersicht: Optik aus dem Gesichtspunkt der Biosensorik und der Messtechnik Messprinzipien: Refraktometrie, Absorption, Lumineszenz, Interferenz, Streuung Messtechnik: Integrierte Optik (Wellenleiter), Plasmonenresonanz, Holographie, Lebensdauer von Zuständen, Signalkorrelationen, Mustererkennung Anwendungen: medizinische Diagnostik, Qualitätskontrolle, Überwachung

Sensoren Elemente eines Sensors Was wird gemessen? Antikörper „fängt“ Fremdkörper DNS bildet Doppelstrang Krebszellen streuen Licht Strömungsprofile Verformungen unter Last Distanzen Temperaturen ………. Weshalb mit Optik ? Optische Messgrössen Kleinste Dimensionen (<Nanometer) Hochempfindlich (einzelne Moleküle) Zugänglichkeit („kontaktlos“) Intensitäten Phasen (Lage von Mustern) Koppelwinkel Polarisation, Polarisationsgrad

Wellenleiter Signalerzeugung: Wellenleiter beschränkt räumliche Beleuchtung Wechselwirkung ist polarisationsabhängig optisches Signal: Phasendifferenz der Polarisationen

Interferenzmuster Signalverarbeitung

Vertiefung II: Faser-Sensorik Inhalt der Vertiefung in Faser-Sensorik Übersicht: Optik für technische Sensorik sowie Mess- und Regeltechnik Prinzipien optischer Messwandler: Grundelement: Faser-Wellenleiter, Sagnac-Effekt, Lumineszenz, Kurz-Kohärenz-Optik, optischer Doppler-Effekt, Absorption, Faraday-Effekt, Reflexion, diffuse Streuung Sensor-Komponenten: Laser, Richtkoppler, Modulatoren, Multiplexer, Polarisatoren, optische Isolatoren, Fotodetektoren, Mikrooptik, integrierte Optik, Optoelektronik, DSV Bereiche der Photonik: a) Fasersensorik, b) optische Messtechnik, c) techn. Aspekte der optischen Signalverarbeitung Anwendungen: Medizinaltechnik, GPS, Ortungs-, Positionierungs-systeme, Kontrolle von Prozessabläufen

Typischer Aufbau eines Faser-Sensor-Systems Prinzip Faser-Sensor Typische Messgrössen Seismik, Schalldruckschwankungen Magnetfelder Elektrische Felder Rotation, Drehraten Vibrationen Flüssigkeitsströme, Geschwindigkeiten Faraday-Strommessung Druck, Spannung Temperatur … Umgebungseinfluss, phys. Messgrösse p, T, B, v … Messwandler  thermo-optisch  spannungs-optisch  magneto-optisch  gyro-optisch … Signal  Optoelektronik DSV 

Beispiel eines physikalischen Messwandler-Prinzips Kreisel-Interferometer Rotation Sagnac-Effekt Rotation  optischen Wegdifferenz zwischen zwei Wellenzügen. Optische Wegdifferenz  Phasenverschie-bung im Interferogramm, Relativitätstheorie Links: Faserschleife in Ruhelage  Beide Wellenzüge gleicher Weg Rechts: rotierende Faserschleife  Opt. Wegdifferenz zw. rot und blau Interferogramm aus: V.Vali and R.W.Short- hill, Appl. Opt. 15,1099ff, (1976) Dies ist die erste Publikation eines Faser-Gyroskops. Jahr 1976!

Optische Komponenten eines Messwandlers Kreisel-Interferometer Realisierter Geräteaufbau, opt. Komponenten Optoel.+DSV Lock-In-Verstärker

Elektronische Komponenten eines Messwandlers Kreisel-Interferometer Schematischer Aufbau des Gerätes mit Optoelektr. und DSV

Beispiel für Komponenten von Sensor-Arrays Beispiel: Gitterdemultiplexer Prinzip und Funktionsweise Reflexions-Beugungsgitter Licht einer bestimmten Wellenlänge Konstruktive Interferenz in best. Richtung 2 unterschiedliche Trägerwellenlängen weisen Interferenzmaxima in verschiedenen Richtungen auf GRIN-Linse führt Strahlen auf Ausgangsfasern Nebensprechen Gitterauflösung Vielkanal-Multiplexer

Laborversuche Experimentieren im Labor

Vertiefung III: Materialbearbeitung Inhalt der Vertiefung in Materialbearbeitung Laserstahlung: Moden, Strahlausbreitung, Strahlqualität Lasertypen: Lasersysteme und Betriebsarten Materialbearbeitungsprozesse: Trennen Fügen Wärmebehandlung Markieren Strukturieren Laborbesuch: Besuch mit Experimenten am IALT (Institut für angewandte Lasertechnologie) der HTI Burgdorf

Wahlfach Angewandte Optik Trennen mit Laser