Grundlagen der Photonik:
Gespeichert in:
| Späterer Titel: | Optik und Photonik |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Buch |
| Sprache: | German English |
| Veröffentlicht: |
Weinheim
WILEY-VCH
2008
|
| Ausgabe: | 2., vollst. überarb. und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch Physik
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXIII, 1406 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783527406777 3527406778 |
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ix
Inhaltsverzeichnis
1 Strahlenoptik 1
1.1
Postulate
der Strahlenoptik 3
1.1.1 Ausbreitung in einem homogenen Medium 4
1.2 Einfache optische Komponenten 7
1.2.1 Spiegel 7
1.2.2 Parabolspiegel 7
1.2.3 Elliptische Spiegel 7
1.2.4 Sphärische Spiegel 8
1.2.5 Reflexion von paraxialen Strahlen an sphärischen Spiegeln
ŕ?
1.2.6 Ebene Grenzflächen 10
1.2.7 Sphärische Grenzflächen und Linsen 23
1.2.8 Lichtleiter 7 7
1.3 Gradientenindexoptik 79
1.3.1 Die Strahlengleichung 79
1.3.2 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 27
1.3.3 Die Eikonalgleichung 25
1.4 Matrixoptik 26
1.4.1 Die Strahltransfermatrix 27
1.4.2 Matrizen einfacher optischer Komponenten 29
1.4.3 Matrizen von hintereinander geschalteten optischen
Komponenten 30
1.4.4 Periodische optische Systeme 30
Aufgaben 37
Weiterführende Literatur 40
2 Wellenoptik 43
2.1 Die
Postulate
der Wellenoptik 45
2.1.1 Die Wellengleichung 45
2.2 Monochromatische Wellen 46
2.2.1 Komplexe Darstellung und die Helmholtzgleichung 47
2.2.2 Einfache Wellen 49
2.2.3 Paraxiale Wellen 53
χ
Inhaltsverzeichnis
2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 55
2.3.1 Die Eikonalgleichung 56
2.4 Einfache optische Komponenten 56
2.4.1 Reflexion und Brechung 56
2.4.2 Durchgang durch optische Komponenten 58
2.4.3 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 64
2.5 Interferenz 65
2.5.1 Interferenz zweier Wellen 65
2.5.2 Vielwelleninterferenz 71
2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 75
2.6.1 Zeitliche und spektrale Beschreibung 75
2.6.2 Lichtschwebung 79
Aufgaben 81
Weiterführende Literatur 83
3 Optik von Strahlbündeln 85
3.1 Der Gaußstrahl 86
3.1.1 Die komplexe Amplitude eines Gaußstrahls 86
3.1.2 Eigenschaften von Gaußstrahlen 88
3.1.3 Die Qualität eines Strahlbündels 96
3.2 Durchgang durch optische Komponenten 97
3.2.1 Durchgang durch eine dünne Linse 98
3.2.2 Formung eines Strahlbündels 100
3.2.3 Reflexion an einem sphärischen Spiegel 103
3.2.4 Durchgang durch ein beliebiges optisches System 204
3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 207
3.3.1 Die komplexe Amplitude 209
3.3.2 Intensitätsverteilung 110
3.4 Laguerre-Gauß-und Besselstrahlen 222
3.4.1 Laguerre-Gauß-Strahlen 222
Aufgaben 224
Weiterführende Literatur 225
4 Fourieroptik 117
4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 229
4.1.1 Räumliche harmonische Funktionen und ebene Wellen 229
4.1.2 Die Übertragungsfunktion des Vakuums 127
4.1.3 Die Impulsantwortfunktion des Vakuums 232
4.1.4 Huygens-Fresnel-Prinzip 232
4.2 Die optische Fouriertransformation 233
4.2.1 Fouriertransformation im Fernfeld 233
4.2.2 Fouriertransformation mithilfe einer Linse 236
Inhaltsverzeichnis xi
4.3 Lichtbeugung 139
4.3.1 Fraunhoferbeugung 742
4.3.2 Fresnelbeugung 143
4.4 Bildentstehung 147
4.4.1 Strahlenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 147
4.4.2 Wellenoptische Beschreibung eines 4f-Systems 149
4.4.3 Wellenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 151
4.4.4 Abbildung im Nahfeld 256
4.5 Holographie 158
4.5.1 Die holographische Codierung 259
4.5.2 Holographie außerhalb der optischen Achse 162
4.5.3 Fouriertransformations-Holographie 163
4.5.4 Holographische Ortsfilter 263
4.5.5 Die holographische Apparatur 265
4.5.6 Volumenholographie 166
Aufgaben 269
Weiterführende Literatur 272
5 Elektromagnetische Optik 175
5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 377
5.1.1 Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum 277
5.1.2 Die Wellengleichung 27S
5.1.3 Die maxwellschen Gleichungen in Medien 379
5.1.4 Randbedingungen 179
5.1.5 Intensität, Leistung und Energie 180
5.1.6 Impuls 3S3
5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 181
5.2.1 Definitionen 182
5.2.2 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 182
5.2.3 Nichtlineare,
dispersive,
inhomogene oder anisotrope Medien 184
5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 188
5.3.1 Die maxwellschen Gleichungen in einem Medium 189
5.3.2 Intensität und Leistung 189
5.3.3 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 390
5.3.4 Inhomogene Medien 190
5.3.5
Dispersive
Medien 390
5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 393
5.4.1 Ebene, sphärische und gaußsche elektromagnetische Wellen 193
5.4.2 Die Beziehung zwischen elektromagnetischer Optik und skalarer
Wellenoptik 396
xii
I Inhaltsverzeichnis
5.4.3 Vektor-Strahlbündel 297
5.5
Absorption
und
Dispersion
198
5.5.1
Absorption
198
5.5.2
Dispersion
201
5.5.3
Resonante Medien
204
5.5.4 Optik leitfähiger
Medien
211
5.6 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 224
5.6.1 Die Gruppengeschwindigkeit 215
5.6.2 Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion 216
5.7 Optik von magnetischen und Metamaterialien 222
5.7.1 Doppeltnegative Metamaterialien 223
5.7.2 Optik von Materialien mit negativen Brechungsindex 226
Aufgaben 227
Weiterführende Literatur 228
6 Polarisationsoptik 231
6.1 Die Polarisation des Lichts 233
6.1.1 Die Polarisation 233
6.1.2 Die Matrixdarstellung der Polarisation 237
6.2 Reflexion und Brechung 244
6.2.1 TE-Polarisation 246
6.2.2 TM-Polarisation 247
6.3 Die Optik anisotroper Medien 251
6.3.1 Der Brechungsindex 252
6.3.2 Ausbreitung entlang einer Hauptachse 255
6.3.3 Ausbreitung entlang beliebiger Richtungen 257
6.3.4 Die Dispersionsrelation, Strahlen, Wellenfronten und
Energietransport 259
6.3.5 Doppelbrechung 264
6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 267
6.4.1 Optische Aktivität 267
6.4.2 Magnetooptik: Der Faradayeffekt 270
6.5 Optik von Flüssigkristallen 272
6.5.1 Die Struktur von Flüssigkristallen 272
6.6 Polarisierende Bauelemente 275
6.6.1 Polarisatoren 276
6.6.2
Retarder
277
6.6.3 Polarisationsrotatoren 279
6.6.4 Nichtreziproke polarisierende Bauelemente 279
Aufgaben 282
Weiterführende Literatur 284
Inhaltsverzeichnis xiii
7 Optik photonischer Kristalle 287
7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 290
7.1.1 Matrixtheorie der Optik von Schichtmedien 290
7.1.2 Das
Fabry-Pérot-Etalon
300
7.1.3 Das
Bragggitter
304
7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 323
7.2.1 Blochmoden 314
7.2.2 Matrixoptik periodischer Medien 318
7.2.3 Fourieroptik periodischer Medien 326
7.2.4 Grenzflächen zwischen periodischen und homogenen Medien 330
7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 332
7.3.1 Zweidimensionale photonische Kristalle 333
7.3.2 Dreidimensionale photonische Kristalle 337
Aufgaben 342
Weiterführende Literatur 343
8 Wellenleiteroptik 345
8.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 347
8.1.1 Wellenleitermoden 347
8.1.2 Ausbreitungskonstanten 349
8.1.3 Feldverteilungen 349
8.1.4 Die Zahl der Moden 352
8.1.5 Die Dispersionsrelation 352
8.1.6 Gruppengeschwindigkeiten 353
8.1.7 TM-Moden 353
8.1.8 Vielmodenfelder 355
8.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 356
8.2.1 Wellenleitermoden 357
8.2.2 Feldverteilungen 362
8.2.3 Dispersionsrelation und Gruppengeschwindigkeiten 363
8.3 Zweidimensionale Wellenleiter 366
8.3.1 Der rechteckige Spiegelwellenleiter 366
8.3.2 Der rechteckige dielektrische Wellenleiter 367
8.3.3 Die Geometrie von Kanalwellenleitern 368
8.3.4 Materialien 369
8.4 Photonische Kristalle als Wellenleiter 370
8.4.1 Bragggitter als Wellenleiter 370
8.4.2 Bragg-Gitterwellenleiter als photonischer Kristall mit einer
Defektschicht 372
8.4.3 Zweidimensionale Wellenleiter aus photonischen Kristallen 372
8.5 Optische Kopplung in Wellenleitern 372
8.5.1 Einkopplung 372
xiv 1 Inhaltsverzeichnis
8.5.2 Gekoppelte Wellenleiter 375
8.5.3 Periodische Wellenleiter 381
8.6 Metallische Subwellenlängen-Wellenleiter (Plasmonen) 382
Aufgaben 384
Weiterführende Literatur 385
9 Faseroptik 387
9.1 Geführte Strahlen 389
9.1.1 Stufenindexfasern 389
9.1.2 Gradientenindexfasern 392
9.2 Geführte Wellen 394
9.2.1 Helmholtzgleichung 394
9.2.2 Stufenindexfasern 395
9.2.3 Einmodenfasern 404
9.2.4 Quasiebene Wellen in Stufen- und Gradientenindexfasern 406
9.3 Dämpfung und Dispersion 413
9.3.1 Dämpfung
4Í3
9.3.2 Dispersion 417
9.4 Mikrostrukturierte Fasern 428
9.4.1 Führung durch effektiven Index 428
9.4.2 Führung durch photonische Bandlücke 430
Aufgaben 430
Weiterführende Literatur 432
10 Resonatoroptik 435
10.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 437
10.1.1 Resonatormoden 437
10.1.2 Schief einfallende Resonatormoden 448
10.2 Kugelspiegelresonatoren 449
10.2.1 Strahleingrenzung 449
10.2.2 Gaußmoden 453
10.2.3 Resonanzfrequenzen 457
10.2.4 Hermite-Gauß-Moden 458
10.2.5 Endliche Blenden und Beugungsverluste 460
10.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 462
10.3.1 Zweidimensionale rechteckige Resonatoren 462
10.3.2 Kreisförmige Resonatoren und Flüstergaleriemoden 464
10.3.3 Dreidimensionale rechteckige Hohlraumresonatoren 465
10.4 Mikroresona
toren
468
10.4.1 Rechteckige Mikroresonatoren 469
10.4.2 Mikrosäulen-, Mikroscheiben- und Mikroringresonatoren 470
10.4.3 Mikrokugelresonatoren 472
Inhalts Verzeichnis
10.4.4 Mikrohohlräume aus photonischen Kristallen 474
Aufgaben 475
Weiterführende Literatur 477
11 Statistische Optik 479
11.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 452
11.1.1 Optische Intensität 481
11.1.2 Zeitliche Kohärenz und Spektrum 482
11.1.3 Räumliche Kohärenz 489
11.1.4
Longitudinale
Kohärenz 494
11.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 496
11.2.1 Interferenz von zwei partiell kohärenten Wellen 496
11.2.2 Interferenz und zeitliche Kohärenz 495
11.2.3 Interferenz und räumliche Kohärenz 501
11.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische
Systeme 505
11.3.1 Ausbreitung von partiell kohärentem Licht 505
11.3.2 Bildentstehung mit inkohärentem Licht 507
11.3.3 Verstärkung der räumlichen Kohärenz durch Ausbreitung 511
11.4 Partielle Polarisation 516
11.4.1 Die Kohärenzmatrix 527
11.4.2 Stokesparameter und
Poincarékugeldarstellung
527
11.4.3 Unpolarisiertes Licht 518
11.4.4 Polarisiertes Licht
5Î9
Aufgaben 522
Weiterführende Literatur 523
12 Photonenoptik 525
12.1 Das Photon 527
12.1.1 Licht in einem Resonator: elektromagnetische Theorie 527
12.1.2 Licht in einem Resonator: photonenoptische Theorie 528
12.1.3 Die Energie eines Photons 529
12.1.4 Die Polarisation von Photonen 530
12.1.5 Die Position eines Photons 533
12.1.6 Der Impuls eines Photons 534
12.1.7 Die Interferenz von Photonen 537
12.1.8 Die Zeit eines Photons 538
12.2 Photonenströme 542
12.2.1 Der mittlere Photonenfluss 543
12.2.2 Stochastische Eigenschaften des Photonenflusses 546
12.2.3 Photonenstatistik 547
12.2.4 Die zufällige Aufteilung von Photonenströmen 554
xvi Inhaltsverzeichnis
12.3 Quantenzustände des Lichts 556
12.3.1 Quantentheorie des harmonischen Oszillators 558
12.3.2 Die Analogie zwischen einer optischen Mode und einem
harmonischen Oszillator 559
12.3.3 Licht in einem kohärenten Zustand 560
12.3.4 Licht in gequetschten Zuständen 561
Aufgaben 563
Weiterführende Literatur 567
13 Photonen und Atome 571
13.1 Energieniveaus 572
13.1.1 Atome 573
13.1.2 Moleküle 579
13.1.3 Festkörper 582
13.2 Die Besetzung von Energieniveaus 593
13.2.1 Die Boltzmannverteilung 593
13.2.2 Die Fermi-Dirac-Verteilung 595
13.3 Die Wechselwirkung von Photonen mit Atomen 596
13.3.1 Die Wechselwirkung von Einmodenlicht mit einem Atom 596
13.3.2 Spontane Emission 600
13.3.3 Induzierte Emission und Absorption 603
13.3.4 Linienverbreiterung 607
13.3.5 Verstärkte spontane Emission 612
13.3.6 Laserkühlung und Einschluss von Atomen 623
13.4 Thermisches Licht 635
13.4.1 Das thermische Gleichgewicht zwischen Photonen und
Atomen 615
13.4.2 Das Spektrum des schwarzen Strahlers 617
13.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 621
13.5.1 Formen der Lumineszenz 621
13.5.2 Der Mechanismus der Photolumineszenz 623
13.5.3 Lichtstreuung 627
Aufgaben 629
Weiterführende Literatur 631
14 Laserverstärker 635
14.1 Theorie der Laserverstärkung 638
14.1.1 Gewinn und Bandbreite 638
14.1.2 Phasenverschiebung 641
14.2 Pumpen des Verstärkers 643
14.2.1 Geschwindigkeitsgleichungen 644
14.2.2 Pumpschemata 64S
Inhaltsverzeichnis xvii
14.3 Verbreitete Laserverstärker 653
14.3.1 Rubin 654
14.3.2 Neodymdotiertes Glas 655
14.3.3 Erbiumdotierte Quarzfasern 658
14.3.4 Raman-Faserverstärker 660
14.3.5 Die Eigenschaften ausgewählter Laserübergänge 664
14.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 664
14.4.1 Der Gewinn bei Sättigung in homogen verbreiterten Medien 664
14.4.2 Gewinn bei Sättigung in inhomogen verbreiterten Medien 669
14.5 Verstärkerrauschen 671
Aufgaben 673
Weiterführende Literatur 676
15 Laser 679
15.1 Theorie der Laseroszillation 681
15.1.1 Optische Verstärkung und Rückkopplung 681
15.1.2 Bedingungen für die Laseroszillation 684
15.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 688
15.2.1 Leistung 688
15.2.2 Die spektrale Verteilung 694
15.2.3 Räumliche Verteilung und Polarisation 699
15.2.4 Modenselektion 702
15.3 Häufige Lasertypen 706
15.3.1 Festkörperlaser 706
15.3.2 Gaslaser 720
15.3.3 Andere Laser 721
15.3.4 Tabellen ausgewählter Eigenschaften 727
15.4 Gepulste Laser 727
15.4.1 Methoden zur Erzeugung von Laserpulsen 727
15.4.2 Die Analyse von Einschwingvorgängen 731
15.4.3 Die Gütemodulation 734
15.4.4 Modenkopplung 739
Aufgaben 745
Weiterführende Literatur 749
16 Halbleiteroptik 753
16.1 Halbleiter 754
16.1.1 Energiebänder und Ladungsträger 755
16.1.2 Halbleitermaterialien 760
16.1.3 Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern 768
16.1.4 Erzeugung, Rekombination und Injektion 776
16.1.5 Halbleiterübergänge 781
xviii Inhaltsverzeichnis
16.1.6 HeteroÜbergänge 786
16.1.7 Quantenbeschränkte Strukturen 787
16.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 794
16.2.1 Photonenwechselwirkungen in Volumenhalbleitern 795
16.2.2 Interbandübergänge in Volumenhalbleitern 796
16.2.3 Absorption, Emission und Gewinn in Volumenhalbleitern 802
16.2.4 Photonenwechselwirkungen in quantenbeschränkten
Strukturen 809
16.2.5 Der Brechungsindex 810
Aufgaben 811
Weiterführende Literatur 813
17 Halbleiter-Photonenquellen 817
17.1 Lichtemittierende Dioden 818
17.1.1 Injektionselektrolumineszenz 819
17.1.2 Die Eigenschaften von LED 823
17.1.3 Materialien und Aufbau von Bauelementen 835
17.2 Optische Halbleiterverstärker 843
17.2.1 Gewinn und Bandbreite 843
17.2.2 Der Pumpvorgang 849
17.2.3
Heterostrukturen
852
17.2
A
Quantenschichtstrukturen 854
17.2.5 Superlumineszenzdioden 859
17.3 Laserdioden 860
17.3.1 Verstärkung, Rückkopplung und Schwingung 860
17.3.2 Leistung und Wirkungsgrad 866
17.3.3 Spektrale und räumliche Eigenschaften von Laserdioden 870
17
A
Quantenbeschränkte und Mikrohohlraumlaser 875
17.4.1 Quantenbeschränkte Laser 875
17.4.2 Mikrohohlraumlaser 883
17A3 Materialien und Strukturen von Bauelementen 886
Aufgaben 893
Weiterführende Literatur 896
18 Halbleiter-Photodetektoren 901
18.1 Photodetektoren 902
18.1.1 Äußerer und innerer Photoeffekt 902
18.1.2 Allgemeine Eigenschaften 906
18.2 Photoleiter 913
18.2.1 Intrinsische Materialien 934
18.2.2 Dotierte Materialien 927
18.2.3
Heterostrukturen
918
Inhaltsverzeichnis xix
18.3 Photodioden 929
18.3.1 Die pn-Photodiode 919
18.3.2 Die pin-Photodiode 922
18.3.3
Heterostrukturen
924
18.4 Lawinenphotodioden 926
18.4.1 Grundlagen des Betriebs 926
18.4.2 Gewinn und Ansprechempfindlichkeit 929
18.4.3 Antwortzeit 932
18.4.4 Einphotonenlawinendioden 934
18.5 Arraydetektoren 935
18.5.1 Materialien und Strukturen 935
18.5.2 Ausleseelektronik 937
18.6 Rauschen in Photodetektoren 937
18.6.1 Photoelektronenrauschen 939
18.6.2 Gewinnrauschen 944
18.6.3 Schaltungsrauschen 949
18.6.4 Signal /Rausch- Verhältnis und Empfängerempfindlichkeit 953
18.6.5 Bitfehlerrate und Empfängerempfindlichkeit 959
Aufgaben 962
Weiterführende Literatur 967
19 Akustooptik 977
19.1 Die Wechselwirkung von Licht und Schall 973
19.1.1 Braggsche Beugung 973
19.1.2 Die Theorie gekoppelter Wellen 981
19.1.3 Braggsche Beugung von Strahlen 983
19.2 Akustooptische Bauelemente 988
19.2.1 Modulatoren 988
19.2.2 Scanner 990
19.2.3 Raumschalter 993
19.2.4 Filter, Frequenzschieber und Isolatoren 997
19.3 Akustooptik von anisotropen Medien 998
19.3.1 Akustische Wellen in anisotropen Materialien 998
Aufgaben 1003
Weiterführende Literatur 1004
20
Elektrooptik
1007
20.1 Grundlagen der
Elektrooptik
2009
20.1.1
Pockels-
und Kerreffekt 2009
20.1.2 Elektrooptische Modulatoren und Schalter 202 2
20.1.3 Scanner 2026
20.1.4 Richtkoppler 2O2S
xx Inhaltsverzeichnis
20.1.5 Raumlichtmodulatoren 1020
20.2
Elektrooptik
anisotroper Medien 1024
20.2.1 Kristalloptik: Eine kurze Wiederholung 1024
20.2.2 Pockels- und Kerreffekt 2025
20.2.3 Modulatoren 1032
20.3
Elektrooptik
von Flüssigkristallen 1033
20.3.1 Phasenschieber und Modulatoren 2033
20.3.2 Raumlichtmodulatoren 1040
20.4 Photorefraktivität 1042
20.4.1 Vereinfachte Theorie der Photorefraktion 1044
20.5 Elektroabsorption 1048
Aufgaben 1050
Weiterführende Literatur 2052
21 Nichtlineare Optik 1055
21.1 Nichtlineare optische Medien 2058
21.1.1 Die nichtlineare Wellengleichung 1060
21.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 1062
21.2.1 Frequenzverdopplung und Gleichrichtung 2062
21.2.2 Der elektrooptische Effekt 1065
21.2.3 Dreiwellenmischung 1067
21.2.4 Phasenbedingung und Abstimmungskurven 2072
21.2.5 Quasi-Phasenanpassung 1078
21.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 1081
21.3.1 Die Erzeugung der dritten Harmonischen und der optische
Kerreffekt 1082
21.3.2 Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und räumliche
Solitonen 2083
21.3.3 Kreuzphasenmodulation 2087
21.3.4 Vierwellenmischung 2088
21.3.5 Optische Phasenkonjugation 1090
21.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: die Theorie gekoppelter
Wellen 2094
21.4.1 Die Gleichungen gekoppelter Wellen 1094
21.4.2 Frequenzverdopplung 2098
21.4.3 Optische Frequenzkonversion 2 202
21.4.4 Optische parametrische Verstärkung und Oszillation 1103
21.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Theorie gekoppelter
Wellen 2 207
21.5.1 Vierwellenmischung 1107
21.5.2 Dreiwellenmischung und Erzeugung der dritten
Harmonischen 2 209
Inhaltsverzeichnis xxi
21.5.3 Optische Phasenkonjugation 2222
21.6 Anisotrope nichtlineare Medien 2224
21.6.1 Dreiwellenmischung in anisotropen nichtlinearen Medien zweiter
Ordnung 1116
21.7
Dispersive
nichtlineare Medien 1118
21.7.1 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Integraltransformation 2 2 29
21.7.2 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Differentialgleichung 2 222
Aufgaben 2 724
Weiterführende Literatur 2 226
22 Ultraschnelle Optik 1129
22.1 Eigenschaften von Pulsen 2 230
22.1.1 Zeitliche und spektrale Eigenschaften 1130
22.1.2 Gaußpulse und gechirpte Gaußpulse 2235
22.1.3 Räumliche Eigenschaften 2737
22.2 Pulsformung und Kompression 2240
22.2.1 Chirpfilter 2 242
22.2.2 Ausführungen von Chirpfiltern 2249
22.2.3 Pulskompression 2 254
22.2.4 Pulsformung 2256
22.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 2258
22.3.1 Die optische Faser als Chirpfilter 2259
22.3.2 Ausbreitung eines Gaußpulses in einer optischen Faser 2262
22.3.3 Diffusionsgleichung für langsam variierende Einhüllende 226S
22.3.4 Analogie zwischen Dispersion und Beugung 2270
22.4 Ultraschnelle lineare Optik 2 273
22.4.1 Strahlenoptik 2 774
22.4.2 Wellen-und Fourieroptik 2276
22.4.3 Optik von Strahlbündeln 2279
22.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 1186
22.5.1 Gepulste parametrische Prozesse 1187
22.5.2 Optische Solitonen 2293
22.5.3 Superkontinuumslicht 2204
22.6 Pulsdetektion 7206
22.6.1 Die Messung der Intensität 2206
22.6.2 Die Messung der spektralen Intensität 2222
22.6.3 Die Messung der Phase 2224
22.6.4 Messung des Spektrogramms
727Ő
Aufgaben 7222
Weiterführende Literatur 2224
xxii
I
Inhaltsverzeichnis
23 Optische Verbindungen und Schalter 1227
23.1 Optische Verbindungen 1229
23.1.1 Die Verbindungsmatrix 1229
23.1.2 Nichtreziproke Verbindungen: Isolatoren und Zirkulatoren 1231
23.1.3 Brechende und beugende Verbindungen im Vakuum 1232
23.1.4 Wellenleiterverbindungen 1237
23.1.5 Nichtreziproke optische Verbindungen 1238
23.1.6 Optische Verbindungen in der Mikroelektronik 1239
23.2 Passive optische Router 1244
23.2.1 Wellenlängenbasierte Router 1245
23.2.2
Polarisations-, phasen-
und intensitätsbasierte Router 1251
23.3 Photonische Schalter 1255
23.3.1 Ausführungen von Raumschaltern 1255
23.3.2 Realisierungen von optischen Raumschaltern 1257
23.3.3 Volloptische Raumschalter 1266
23.3.4 Wellenlängenbereichsschalter 1272
23.3.5 Zeitbereichsschalter 1276
23.3.6 Paketschalter 1280
23.4 Optische Gatter 1282
23.4.1 Bistabile Systeme 1282
23.4.2 Das Prinzip der optischen Bistabilität
12Я5
23.4.3 Bistabile optische Bauelemente 1287
Aufgaben 1295
Weiterführende Literatur 1296
Faseroptische Kommunikation 1299
Faseroptische Komponenten 1301
Optische Fasern 1301
Quellen für optische Sender 1308
Optische Verstärker 1309
Detektoren für optische Empfänger 1313
Faseroptische Nachrichtensysteme 1315
Entwicklungsgeschichte faseroptischer Nachrichtensysteme 1316
Die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Systemen 1320
Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Systeme 1324
Kompensation und Management von Dämpfung und
Dispersion 1333
Optische Kommunikation durch Solitonen 1335
Modulation und
Multiplexing
1337
Modulation 1337
Multiplexing
1340
Wellenlängenmultiplexing 1342
24
24.
1
24.
1.1
24.
1.2
24.
1.3
24.
1.4
24.
.2
24.
.2.1
24.
.2.2
24
.2.3
24
.2.4
24
.2.5
24.3
24.3.1
24
.3.2
24
.3.3
Inhaltsverzeichnis
I
xxiii
24.4 Faseroptische Netze 2344
24.4.1 Netztopologien und Vielfachzugriff 2344
24.4.2 Wellenlängenmultiplexnetze 2347
24.5 Kohärente optische Kommunikation 1352
24.5.1 Homodyn- und Heterodynempfänger 1352
24.5.2 Kohärente Systeme 1355
Aufgaben 1360
Weiterführende Literatur 1362
A Die
Fouriertransformation 7365
A.l Die eindimensionale Fouriertransformation 1365
A.l.l Eigenschaften der Fouriertransformation 1366
A.1.2 Beispiele 2367
A.2 Zeitliche und spektrale Breite 2367
A.2.1 Die quadratisch gemittelte Breite 2368
A.2.2 Die leistungsäquivalente Breite 2370
A.2.3 1/e-, Halbwerts- und 3-dB-Breite 2372
A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 2372
A.3.1 Eigenschaften 2373
Weiterführende Literatur 2374
В
Lineare Systeme 1375
B.l Eindimensionale lineare Systeme 2375
B.l.l Lineare Systeme 2375
B.2 Zweidimensionale Lineare Systeme 2379
Weiterführende Literatur 2380
С
Die Moden linearer Systeme 1381
C.l Die Moden eines diskreten linearen Systems 2382
C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator
beschriebenen Systems 1384
C.2.1 Translationssymmetrie und harmonische Moden 2385
C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen
beschriebenen Systems 2386
C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung
beschriebenen Systems 2386
C.4.1 Die Moden des Felds/der Welle in einem homogenen Medium mit
Randbedingungen 2387
C.4.2 Moden von Feldern/Wellen in einem periodischen Medium 2388
Index 1389 |
| adam_txt |
ix
Inhaltsverzeichnis
1 Strahlenoptik 1
1.1
Postulate
der Strahlenoptik 3
1.1.1 Ausbreitung in einem homogenen Medium 4
1.2 Einfache optische Komponenten 7
1.2.1 Spiegel 7
1.2.2 Parabolspiegel 7
1.2.3 Elliptische Spiegel 7
1.2.4 Sphärische Spiegel 8
1.2.5 Reflexion von paraxialen Strahlen an sphärischen Spiegeln
ŕ?
1.2.6 Ebene Grenzflächen 10
1.2.7 Sphärische Grenzflächen und Linsen 23
1.2.8 Lichtleiter 7 7
1.3 Gradientenindexoptik 79
1.3.1 Die Strahlengleichung 79
1.3.2 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 27
1.3.3 Die Eikonalgleichung 25
1.4 Matrixoptik 26
1.4.1 Die Strahltransfermatrix 27
1.4.2 Matrizen einfacher optischer Komponenten 29
1.4.3 Matrizen von hintereinander geschalteten optischen
Komponenten 30
1.4.4 Periodische optische Systeme 30
Aufgaben 37
Weiterführende Literatur 40
2 Wellenoptik 43
2.1 Die
Postulate
der Wellenoptik 45
2.1.1 Die Wellengleichung 45
2.2 Monochromatische Wellen 46
2.2.1 Komplexe Darstellung und die Helmholtzgleichung 47
2.2.2 Einfache Wellen 49
2.2.3 Paraxiale Wellen 53
χ
Inhaltsverzeichnis
2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 55
2.3.1 Die Eikonalgleichung 56
2.4 Einfache optische Komponenten 56
2.4.1 Reflexion und Brechung 56
2.4.2 Durchgang durch optische Komponenten 58
2.4.3 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 64
2.5 Interferenz 65
2.5.1 Interferenz zweier Wellen 65
2.5.2 Vielwelleninterferenz 71
2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 75
2.6.1 Zeitliche und spektrale Beschreibung 75
2.6.2 Lichtschwebung 79
Aufgaben 81
Weiterführende Literatur 83
3 Optik von Strahlbündeln 85
3.1 Der Gaußstrahl 86
3.1.1 Die komplexe Amplitude eines Gaußstrahls 86
3.1.2 Eigenschaften von Gaußstrahlen 88
3.1.3 Die Qualität eines Strahlbündels 96
3.2 Durchgang durch optische Komponenten 97
3.2.1 Durchgang durch eine dünne Linse 98
3.2.2 Formung eines Strahlbündels 100
3.2.3 Reflexion an einem sphärischen Spiegel 103
3.2.4 Durchgang durch ein beliebiges optisches System 204
3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 207
3.3.1 Die komplexe Amplitude 209
3.3.2 Intensitätsverteilung 110
3.4 Laguerre-Gauß-und Besselstrahlen 222
3.4.1 Laguerre-Gauß-Strahlen 222
Aufgaben 224
Weiterführende Literatur 225
4 Fourieroptik 117
4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 229
4.1.1 Räumliche harmonische Funktionen und ebene Wellen 229
4.1.2 Die Übertragungsfunktion des Vakuums 127
4.1.3 Die Impulsantwortfunktion des Vakuums 232
4.1.4 Huygens-Fresnel-Prinzip 232
4.2 Die optische Fouriertransformation 233
4.2.1 Fouriertransformation im Fernfeld 233
4.2.2 Fouriertransformation mithilfe einer Linse 236
Inhaltsverzeichnis xi
4.3 Lichtbeugung 139
4.3.1 Fraunhoferbeugung 742
4.3.2 Fresnelbeugung 143
4.4 Bildentstehung 147
4.4.1 Strahlenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 147
4.4.2 Wellenoptische Beschreibung eines 4f-Systems 149
4.4.3 Wellenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 151
4.4.4 Abbildung im Nahfeld 256
4.5 Holographie 158
4.5.1 Die holographische Codierung 259
4.5.2 Holographie außerhalb der optischen Achse 162
4.5.3 Fouriertransformations-Holographie 163
4.5.4 Holographische Ortsfilter 263
4.5.5 Die holographische Apparatur 265
4.5.6 Volumenholographie 166
Aufgaben 269
Weiterführende Literatur 272
5 Elektromagnetische Optik 175
5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 377
5.1.1 Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum 277
5.1.2 Die Wellengleichung 27S
5.1.3 Die maxwellschen Gleichungen in Medien 379
5.1.4 Randbedingungen 179
5.1.5 Intensität, Leistung und Energie 180
5.1.6 Impuls 3S3
5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 181
5.2.1 Definitionen 182
5.2.2 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 182
5.2.3 Nichtlineare,
dispersive,
inhomogene oder anisotrope Medien 184
5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 188
5.3.1 Die maxwellschen Gleichungen in einem Medium 189
5.3.2 Intensität und Leistung 189
5.3.3 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 390
5.3.4 Inhomogene Medien 190
5.3.5
Dispersive
Medien 390
5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 393
5.4.1 Ebene, sphärische und gaußsche elektromagnetische Wellen 193
5.4.2 Die Beziehung zwischen elektromagnetischer Optik und skalarer
Wellenoptik 396
xii
I Inhaltsverzeichnis
5.4.3 Vektor-Strahlbündel 297
5.5
Absorption
und
Dispersion
198
5.5.1
Absorption
198
5.5.2
Dispersion
201
5.5.3
Resonante Medien
204
5.5.4 Optik leitfähiger
Medien
211
5.6 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 224
5.6.1 Die Gruppengeschwindigkeit 215
5.6.2 Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion 216
5.7 Optik von magnetischen und Metamaterialien 222
5.7.1 Doppeltnegative Metamaterialien 223
5.7.2 Optik von Materialien mit negativen Brechungsindex 226
Aufgaben 227
Weiterführende Literatur 228
6 Polarisationsoptik 231
6.1 Die Polarisation des Lichts 233
6.1.1 Die Polarisation 233
6.1.2 Die Matrixdarstellung der Polarisation 237
6.2 Reflexion und Brechung 244
6.2.1 TE-Polarisation 246
6.2.2 TM-Polarisation 247
6.3 Die Optik anisotroper Medien 251
6.3.1 Der Brechungsindex 252
6.3.2 Ausbreitung entlang einer Hauptachse 255
6.3.3 Ausbreitung entlang beliebiger Richtungen 257
6.3.4 Die Dispersionsrelation, Strahlen, Wellenfronten und
Energietransport 259
6.3.5 Doppelbrechung 264
6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 267
6.4.1 Optische Aktivität 267
6.4.2 Magnetooptik: Der Faradayeffekt 270
6.5 Optik von Flüssigkristallen 272
6.5.1 Die Struktur von Flüssigkristallen 272
6.6 Polarisierende Bauelemente 275
6.6.1 Polarisatoren 276
6.6.2
Retarder
277
6.6.3 Polarisationsrotatoren 279
6.6.4 Nichtreziproke polarisierende Bauelemente 279
Aufgaben 282
Weiterführende Literatur 284
Inhaltsverzeichnis xiii
7 Optik photonischer Kristalle 287
7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 290
7.1.1 Matrixtheorie der Optik von Schichtmedien 290
7.1.2 Das
Fabry-Pérot-Etalon
300
7.1.3 Das
Bragggitter
304
7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 323
7.2.1 Blochmoden 314
7.2.2 Matrixoptik periodischer Medien 318
7.2.3 Fourieroptik periodischer Medien 326
7.2.4 Grenzflächen zwischen periodischen und homogenen Medien 330
7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 332
7.3.1 Zweidimensionale photonische Kristalle 333
7.3.2 Dreidimensionale photonische Kristalle 337
Aufgaben 342
Weiterführende Literatur 343
8 Wellenleiteroptik 345
8.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 347
8.1.1 Wellenleitermoden 347
8.1.2 Ausbreitungskonstanten 349
8.1.3 Feldverteilungen 349
8.1.4 Die Zahl der Moden 352
8.1.5 Die Dispersionsrelation 352
8.1.6 Gruppengeschwindigkeiten 353
8.1.7 TM-Moden 353
8.1.8 Vielmodenfelder 355
8.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 356
8.2.1 Wellenleitermoden 357
8.2.2 Feldverteilungen 362
8.2.3 Dispersionsrelation und Gruppengeschwindigkeiten 363
8.3 Zweidimensionale Wellenleiter 366
8.3.1 Der rechteckige Spiegelwellenleiter 366
8.3.2 Der rechteckige dielektrische Wellenleiter 367
8.3.3 Die Geometrie von Kanalwellenleitern 368
8.3.4 Materialien 369
8.4 Photonische Kristalle als Wellenleiter 370
8.4.1 Bragggitter als Wellenleiter 370
8.4.2 Bragg-Gitterwellenleiter als photonischer Kristall mit einer
Defektschicht 372
8.4.3 Zweidimensionale Wellenleiter aus photonischen Kristallen 372
8.5 Optische Kopplung in Wellenleitern 372
8.5.1 Einkopplung 372
xiv 1 Inhaltsverzeichnis
8.5.2 Gekoppelte Wellenleiter 375
8.5.3 Periodische Wellenleiter 381
8.6 Metallische Subwellenlängen-Wellenleiter (Plasmonen) 382
Aufgaben 384
Weiterführende Literatur 385
9 Faseroptik 387
9.1 Geführte Strahlen 389
9.1.1 Stufenindexfasern 389
9.1.2 Gradientenindexfasern 392
9.2 Geführte Wellen 394
9.2.1 Helmholtzgleichung 394
9.2.2 Stufenindexfasern 395
9.2.3 Einmodenfasern 404
9.2.4 Quasiebene Wellen in Stufen- und Gradientenindexfasern 406
9.3 Dämpfung und Dispersion 413
9.3.1 Dämpfung
4Í3
9.3.2 Dispersion 417
9.4 Mikrostrukturierte Fasern 428
9.4.1 Führung durch effektiven Index 428
9.4.2 Führung durch photonische Bandlücke 430
Aufgaben 430
Weiterführende Literatur 432
10 Resonatoroptik 435
10.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 437
10.1.1 Resonatormoden 437
10.1.2 Schief einfallende Resonatormoden 448
10.2 Kugelspiegelresonatoren 449
10.2.1 Strahleingrenzung 449
10.2.2 Gaußmoden 453
10.2.3 Resonanzfrequenzen 457
10.2.4 Hermite-Gauß-Moden 458
10.2.5 Endliche Blenden und Beugungsverluste 460
10.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 462
10.3.1 Zweidimensionale rechteckige Resonatoren 462
10.3.2 Kreisförmige Resonatoren und Flüstergaleriemoden 464
10.3.3 Dreidimensionale rechteckige Hohlraumresonatoren 465
10.4 Mikroresona
toren
468
10.4.1 Rechteckige Mikroresonatoren 469
10.4.2 Mikrosäulen-, Mikroscheiben- und Mikroringresonatoren 470
10.4.3 Mikrokugelresonatoren 472
Inhalts Verzeichnis
10.4.4 Mikrohohlräume aus photonischen Kristallen 474
Aufgaben 475
Weiterführende Literatur 477
11 Statistische Optik 479
11.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 452
11.1.1 Optische Intensität 481
11.1.2 Zeitliche Kohärenz und Spektrum 482
11.1.3 Räumliche Kohärenz 489
11.1.4
Longitudinale
Kohärenz 494
11.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 496
11.2.1 Interferenz von zwei partiell kohärenten Wellen 496
11.2.2 Interferenz und zeitliche Kohärenz 495
11.2.3 Interferenz und räumliche Kohärenz 501
11.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische
Systeme 505
11.3.1 Ausbreitung von partiell kohärentem Licht 505
11.3.2 Bildentstehung mit inkohärentem Licht 507
11.3.3 Verstärkung der räumlichen Kohärenz durch Ausbreitung 511
11.4 Partielle Polarisation 516
11.4.1 Die Kohärenzmatrix 527
11.4.2 Stokesparameter und
Poincarékugeldarstellung
527
11.4.3 Unpolarisiertes Licht 518
11.4.4 Polarisiertes Licht
5Î9
Aufgaben 522
Weiterführende Literatur 523
12 Photonenoptik 525
12.1 Das Photon 527
12.1.1 Licht in einem Resonator: elektromagnetische Theorie 527
12.1.2 Licht in einem Resonator: photonenoptische Theorie 528
12.1.3 Die Energie eines Photons 529
12.1.4 Die Polarisation von Photonen 530
12.1.5 Die Position eines Photons 533
12.1.6 Der Impuls eines Photons 534
12.1.7 Die Interferenz von Photonen 537
12.1.8 Die Zeit eines Photons 538
12.2 Photonenströme 542
12.2.1 Der mittlere Photonenfluss 543
12.2.2 Stochastische Eigenschaften des Photonenflusses 546
12.2.3 Photonenstatistik 547
12.2.4 Die zufällige Aufteilung von Photonenströmen 554
xvi Inhaltsverzeichnis
12.3 Quantenzustände des Lichts 556
12.3.1 Quantentheorie des harmonischen Oszillators 558
12.3.2 Die Analogie zwischen einer optischen Mode und einem
harmonischen Oszillator 559
12.3.3 Licht in einem kohärenten Zustand 560
12.3.4 Licht in gequetschten Zuständen 561
Aufgaben 563
Weiterführende Literatur 567
13 Photonen und Atome 571
13.1 Energieniveaus 572
13.1.1 Atome 573
13.1.2 Moleküle 579
13.1.3 Festkörper 582
13.2 Die Besetzung von Energieniveaus 593
13.2.1 Die Boltzmannverteilung 593
13.2.2 Die Fermi-Dirac-Verteilung 595
13.3 Die Wechselwirkung von Photonen mit Atomen 596
13.3.1 Die Wechselwirkung von Einmodenlicht mit einem Atom 596
13.3.2 Spontane Emission 600
13.3.3 Induzierte Emission und Absorption 603
13.3.4 Linienverbreiterung 607
13.3.5 Verstärkte spontane Emission 612
13.3.6 Laserkühlung und Einschluss von Atomen 623
13.4 Thermisches Licht 635
13.4.1 Das thermische Gleichgewicht zwischen Photonen und
Atomen 615
13.4.2 Das Spektrum des schwarzen Strahlers 617
13.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 621
13.5.1 Formen der Lumineszenz 621
13.5.2 Der Mechanismus der Photolumineszenz 623
13.5.3 Lichtstreuung 627
Aufgaben 629
Weiterführende Literatur 631
14 Laserverstärker 635
14.1 Theorie der Laserverstärkung 638
14.1.1 Gewinn und Bandbreite 638
14.1.2 Phasenverschiebung 641
14.2 Pumpen des Verstärkers 643
14.2.1 Geschwindigkeitsgleichungen 644
14.2.2 Pumpschemata 64S
Inhaltsverzeichnis xvii
14.3 Verbreitete Laserverstärker 653
14.3.1 Rubin 654
14.3.2 Neodymdotiertes Glas 655
14.3.3 Erbiumdotierte Quarzfasern 658
14.3.4 Raman-Faserverstärker 660
14.3.5 Die Eigenschaften ausgewählter Laserübergänge 664
14.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 664
14.4.1 Der Gewinn bei Sättigung in homogen verbreiterten Medien 664
14.4.2 Gewinn bei Sättigung in inhomogen verbreiterten Medien 669
14.5 Verstärkerrauschen 671
Aufgaben 673
Weiterführende Literatur 676
15 Laser 679
15.1 Theorie der Laseroszillation 681
15.1.1 Optische Verstärkung und Rückkopplung 681
15.1.2 Bedingungen für die Laseroszillation 684
15.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 688
15.2.1 Leistung 688
15.2.2 Die spektrale Verteilung 694
15.2.3 Räumliche Verteilung und Polarisation 699
15.2.4 Modenselektion 702
15.3 Häufige Lasertypen 706
15.3.1 Festkörperlaser 706
15.3.2 Gaslaser 720
15.3.3 Andere Laser 721
15.3.4 Tabellen ausgewählter Eigenschaften 727
15.4 Gepulste Laser 727
15.4.1 Methoden zur Erzeugung von Laserpulsen 727
15.4.2 Die Analyse von Einschwingvorgängen 731
15.4.3 Die Gütemodulation 734
15.4.4 Modenkopplung 739
Aufgaben 745
Weiterführende Literatur 749
16 Halbleiteroptik 753
16.1 Halbleiter 754
16.1.1 Energiebänder und Ladungsträger 755
16.1.2 Halbleitermaterialien 760
16.1.3 Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern 768
16.1.4 Erzeugung, Rekombination und Injektion 776
16.1.5 Halbleiterübergänge 781
xviii Inhaltsverzeichnis
16.1.6 HeteroÜbergänge 786
16.1.7 Quantenbeschränkte Strukturen 787
16.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 794
16.2.1 Photonenwechselwirkungen in Volumenhalbleitern 795
16.2.2 Interbandübergänge in Volumenhalbleitern 796
16.2.3 Absorption, Emission und Gewinn in Volumenhalbleitern 802
16.2.4 Photonenwechselwirkungen in quantenbeschränkten
Strukturen 809
16.2.5 Der Brechungsindex 810
Aufgaben 811
Weiterführende Literatur 813
17 Halbleiter-Photonenquellen 817
17.1 Lichtemittierende Dioden 818
17.1.1 Injektionselektrolumineszenz 819
17.1.2 Die Eigenschaften von LED 823
17.1.3 Materialien und Aufbau von Bauelementen 835
17.2 Optische Halbleiterverstärker 843
17.2.1 Gewinn und Bandbreite 843
17.2.2 Der Pumpvorgang 849
17.2.3
Heterostrukturen
852
17.2
A
Quantenschichtstrukturen 854
17.2.5 Superlumineszenzdioden 859
17.3 Laserdioden 860
17.3.1 Verstärkung, Rückkopplung und Schwingung 860
17.3.2 Leistung und Wirkungsgrad 866
17.3.3 Spektrale und räumliche Eigenschaften von Laserdioden 870
17
A
Quantenbeschränkte und Mikrohohlraumlaser 875
17.4.1 Quantenbeschränkte Laser 875
17.4.2 Mikrohohlraumlaser 883
17A3 Materialien und Strukturen von Bauelementen 886
Aufgaben 893
Weiterführende Literatur 896
18 Halbleiter-Photodetektoren 901
18.1 Photodetektoren 902
18.1.1 Äußerer und innerer Photoeffekt 902
18.1.2 Allgemeine Eigenschaften 906
18.2 Photoleiter 913
18.2.1 Intrinsische Materialien 934
18.2.2 Dotierte Materialien 927
18.2.3
Heterostrukturen
918
Inhaltsverzeichnis xix
18.3 Photodioden 929
18.3.1 Die pn-Photodiode 919
18.3.2 Die pin-Photodiode 922
18.3.3
Heterostrukturen
924
18.4 Lawinenphotodioden 926
18.4.1 Grundlagen des Betriebs 926
18.4.2 Gewinn und Ansprechempfindlichkeit 929
18.4.3 Antwortzeit 932
18.4.4 Einphotonenlawinendioden 934
18.5 Arraydetektoren 935
18.5.1 Materialien und Strukturen 935
18.5.2 Ausleseelektronik 937
18.6 Rauschen in Photodetektoren 937
18.6.1 Photoelektronenrauschen 939
18.6.2 Gewinnrauschen 944
18.6.3 Schaltungsrauschen 949
18.6.4 Signal /Rausch- Verhältnis und Empfängerempfindlichkeit 953
18.6.5 Bitfehlerrate und Empfängerempfindlichkeit 959
Aufgaben 962
Weiterführende Literatur 967
19 Akustooptik 977
19.1 Die Wechselwirkung von Licht und Schall 973
19.1.1 Braggsche Beugung 973
19.1.2 Die Theorie gekoppelter Wellen 981
19.1.3 Braggsche Beugung von Strahlen 983
19.2 Akustooptische Bauelemente 988
19.2.1 Modulatoren 988
19.2.2 Scanner 990
19.2.3 Raumschalter 993
19.2.4 Filter, Frequenzschieber und Isolatoren 997
19.3 Akustooptik von anisotropen Medien 998
19.3.1 Akustische Wellen in anisotropen Materialien 998
Aufgaben 1003
Weiterführende Literatur 1004
20
Elektrooptik
1007
20.1 Grundlagen der
Elektrooptik
2009
20.1.1
Pockels-
und Kerreffekt 2009
20.1.2 Elektrooptische Modulatoren und Schalter 202 2
20.1.3 Scanner 2026
20.1.4 Richtkoppler 2O2S
xx Inhaltsverzeichnis
20.1.5 Raumlichtmodulatoren 1020
20.2
Elektrooptik
anisotroper Medien 1024
20.2.1 Kristalloptik: Eine kurze Wiederholung 1024
20.2.2 Pockels- und Kerreffekt 2025
20.2.3 Modulatoren 1032
20.3
Elektrooptik
von Flüssigkristallen 1033
20.3.1 Phasenschieber und Modulatoren 2033
20.3.2 Raumlichtmodulatoren 1040
20.4 Photorefraktivität 1042
20.4.1 Vereinfachte Theorie der Photorefraktion 1044
20.5 Elektroabsorption 1048
Aufgaben 1050
Weiterführende Literatur 2052
21 Nichtlineare Optik 1055
21.1 Nichtlineare optische Medien 2058
21.1.1 Die nichtlineare Wellengleichung 1060
21.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 1062
21.2.1 Frequenzverdopplung und Gleichrichtung 2062
21.2.2 Der elektrooptische Effekt 1065
21.2.3 Dreiwellenmischung 1067
21.2.4 Phasenbedingung und Abstimmungskurven 2072
21.2.5 Quasi-Phasenanpassung 1078
21.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 1081
21.3.1 Die Erzeugung der dritten Harmonischen und der optische
Kerreffekt 1082
21.3.2 Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und räumliche
Solitonen 2083
21.3.3 Kreuzphasenmodulation 2087
21.3.4 Vierwellenmischung 2088
21.3.5 Optische Phasenkonjugation 1090
21.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: die Theorie gekoppelter
Wellen 2094
21.4.1 Die Gleichungen gekoppelter Wellen 1094
21.4.2 Frequenzverdopplung 2098
21.4.3 Optische Frequenzkonversion 2 202
21.4.4 Optische parametrische Verstärkung und Oszillation 1103
21.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Theorie gekoppelter
Wellen 2 207
21.5.1 Vierwellenmischung 1107
21.5.2 Dreiwellenmischung und Erzeugung der dritten
Harmonischen 2 209
Inhaltsverzeichnis xxi
21.5.3 Optische Phasenkonjugation 2222
21.6 Anisotrope nichtlineare Medien 2224
21.6.1 Dreiwellenmischung in anisotropen nichtlinearen Medien zweiter
Ordnung 1116
21.7
Dispersive
nichtlineare Medien 1118
21.7.1 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Integraltransformation 2 2 29
21.7.2 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Differentialgleichung 2 222
Aufgaben 2 724
Weiterführende Literatur 2 226
22 Ultraschnelle Optik 1129
22.1 Eigenschaften von Pulsen 2 230
22.1.1 Zeitliche und spektrale Eigenschaften 1130
22.1.2 Gaußpulse und gechirpte Gaußpulse 2235
22.1.3 Räumliche Eigenschaften 2737
22.2 Pulsformung und Kompression 2240
22.2.1 Chirpfilter 2 242
22.2.2 Ausführungen von Chirpfiltern 2249
22.2.3 Pulskompression 2 254
22.2.4 Pulsformung 2256
22.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 2258
22.3.1 Die optische Faser als Chirpfilter 2259
22.3.2 Ausbreitung eines Gaußpulses in einer optischen Faser 2262
22.3.3 Diffusionsgleichung für langsam variierende Einhüllende 226S
22.3.4 Analogie zwischen Dispersion und Beugung 2270
22.4 Ultraschnelle lineare Optik 2 273
22.4.1 Strahlenoptik 2 774
22.4.2 Wellen-und Fourieroptik 2276
22.4.3 Optik von Strahlbündeln 2279
22.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 1186
22.5.1 Gepulste parametrische Prozesse 1187
22.5.2 Optische Solitonen 2293
22.5.3 Superkontinuumslicht 2204
22.6 Pulsdetektion 7206
22.6.1 Die Messung der Intensität 2206
22.6.2 Die Messung der spektralen Intensität 2222
22.6.3 Die Messung der Phase 2224
22.6.4 Messung des Spektrogramms
727Ő
Aufgaben 7222
Weiterführende Literatur 2224
xxii
I
Inhaltsverzeichnis
23 Optische Verbindungen und Schalter 1227
23.1 Optische Verbindungen 1229
23.1.1 Die Verbindungsmatrix 1229
23.1.2 Nichtreziproke Verbindungen: Isolatoren und Zirkulatoren 1231
23.1.3 Brechende und beugende Verbindungen im Vakuum 1232
23.1.4 Wellenleiterverbindungen 1237
23.1.5 Nichtreziproke optische Verbindungen 1238
23.1.6 Optische Verbindungen in der Mikroelektronik 1239
23.2 Passive optische Router 1244
23.2.1 Wellenlängenbasierte Router 1245
23.2.2
Polarisations-, phasen-
und intensitätsbasierte Router 1251
23.3 Photonische Schalter 1255
23.3.1 Ausführungen von Raumschaltern 1255
23.3.2 Realisierungen von optischen Raumschaltern 1257
23.3.3 Volloptische Raumschalter 1266
23.3.4 Wellenlängenbereichsschalter 1272
23.3.5 Zeitbereichsschalter 1276
23.3.6 Paketschalter 1280
23.4 Optische Gatter 1282
23.4.1 Bistabile Systeme 1282
23.4.2 Das Prinzip der optischen Bistabilität
12Я5
23.4.3 Bistabile optische Bauelemente 1287
Aufgaben 1295
Weiterführende Literatur 1296
Faseroptische Kommunikation 1299
Faseroptische Komponenten 1301
Optische Fasern 1301
Quellen für optische Sender 1308
Optische Verstärker 1309
Detektoren für optische Empfänger 1313
Faseroptische Nachrichtensysteme 1315
Entwicklungsgeschichte faseroptischer Nachrichtensysteme 1316
Die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Systemen 1320
Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Systeme 1324
Kompensation und Management von Dämpfung und
Dispersion 1333
Optische Kommunikation durch Solitonen 1335
Modulation und
Multiplexing
1337
Modulation 1337
Multiplexing
1340
Wellenlängenmultiplexing 1342
24
24.
1
24.
1.1
24.
1.2
24.
1.3
24.
1.4
24.
.2
24.
.2.1
24.
.2.2
24
.2.3
24
.2.4
24
.2.5
24.3
24.3.1
24
.3.2
24
.3.3
Inhaltsverzeichnis
I
xxiii
24.4 Faseroptische Netze 2344
24.4.1 Netztopologien und Vielfachzugriff 2344
24.4.2 Wellenlängenmultiplexnetze 2347
24.5 Kohärente optische Kommunikation 1352
24.5.1 Homodyn- und Heterodynempfänger 1352
24.5.2 Kohärente Systeme 1355
Aufgaben 1360
Weiterführende Literatur 1362
A Die
Fouriertransformation 7365
A.l Die eindimensionale Fouriertransformation 1365
A.l.l Eigenschaften der Fouriertransformation 1366
A.1.2 Beispiele 2367
A.2 Zeitliche und spektrale Breite 2367
A.2.1 Die quadratisch gemittelte Breite 2368
A.2.2 Die leistungsäquivalente Breite 2370
A.2.3 1/e-, Halbwerts- und 3-dB-Breite 2372
A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 2372
A.3.1 Eigenschaften 2373
Weiterführende Literatur 2374
В
Lineare Systeme 1375
B.l Eindimensionale lineare Systeme 2375
B.l.l Lineare Systeme 2375
B.2 Zweidimensionale Lineare Systeme 2379
Weiterführende Literatur 2380
С
Die Moden linearer Systeme 1381
C.l Die Moden eines diskreten linearen Systems 2382
C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator
beschriebenen Systems 1384
C.2.1 Translationssymmetrie und harmonische Moden 2385
C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen
beschriebenen Systems 2386
C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung
beschriebenen Systems 2386
C.4.1 Die Moden des Felds/der Welle in einem homogenen Medium mit
Randbedingungen 2387
C.4.2 Moden von Feldern/Wellen in einem periodischen Medium 2388
Index 1389 |
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Beschreibung
THWS Schweinfurt Zentralbibliothek Lesesaal
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2000 ZN 5000 S163(2) |
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| Exemplar 1 | ausleihbar Verfügbar Bestellen |