Vorlesung. Einführung in die Moderne Optik und Quantenoptik. Sommersemester Dr. Elke Neu & Prof. Dr. Christoph Becher Fachrichtung Physik

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1 Vorlesung Einführung in die Moderne Optik und Quantenoptik Sommersemester 2017 Dr. Elke Neu & Prof. Dr. Christoph Becher Fachrichtung Physik Geb. E2.6, EN: Raum 1.17, Tel. 2739, CB: Raum 2.02, Tel. 2466,

2 Zeit: Mo & Di Seminarraum E0.4 Terminprobleme? ACHTUNG Termine Feiertage: (Maifeiertag), (Pfingstmontag) Folien/Extramaterial auf: Homepage: Voraussetzung Physik IIIa, IIIb = Optik, Quantenphysik, Atomphysik

3 Übungen: Kurzvortrag: min min Diskussion Zeit/Ort:Extratermine, Zeitraum Optionen: Mo Di Mi Do Fr Themenvergabe: Betreuung: Vorbereitung / Ablauf: Schein: Vorlesung am , Anzahl Teilnehmer? R. Nelz, D. Groß in ausführlicher Absprache mit den Betreuern! Genaue Informationen folgen. benotet (Vortrag + Diskussion!)

4 Inhalt 1. Einführung 1.1 Elemente eines Lasers 1.2 Kurze Geschichte des Lasers 1.3 Eigenschaften von Laserlicht 1.4 Elemente eines Lasers II 2. Licht-Materie Wechselwirkung 2.1 Klassische Dispersionstheorie 2.2 Semiklassische Beschreibung: Wechselwirkung von Licht mit einem 2-Niveau-System 2.3 Übergang zum Ratengleichungsmodell 3. Optische Resonatoren 3.1 Fabry-Perot Interferometer 3.2 Matrix-Formalismus der geometrischen Optik 3.3 Paraxiale Wellengleichung und Gauß sche Strahlen 3.4 Stabile Resonatoren 4. Kontinuierliche Laser und Laserdynamik 4.1 Ratengleichungen für einen 4-Niveau-Laser 4.2 Modenselektion 4.3 Intensitätsrauschen 4.4 Spektrale Eigenschaften eines Lasers

5 5. Photonen 5.1 Klassische Eigenschaften: Zeitliche und räumliche Kohärenz 5.2 Photonenstatistik 5.3 Intensitätskorrelationen und abstandshaltende Photonen 5.4 Einzelphotonenquellen 6. Quantenmechanische Beschreibung des Lichtfeldes 6.1 Quantisierung des Lichtfeldes 6.2 Spezielle Lichtzustände 6.3 Atome im Resonator / Cavity QED 7. Aktuelle Anwendungen 7.1 Nano-Mikroskopie

6 Literatur Klassiker Laserphysik: 1. *D. Meschede, Optik, Licht und Laser, 3. Auflage, Springer Vieweg, 2008, ISBN: Relativ knappe Darstellung (da auch Optik-Lehrbuch), aber sehr aktuelle Entwicklungen einbezogen, sehr gute. 2. *G.A. Reider, Photonik, 3. Auflage, Springer Verlag, 2012, ISBN: Gründlicher Überblick über viele Teilgebiete der Optik, Lasertypen und nichtlinearer Optik. 3. O. Svelto, "Principles of Lasers", 5. Auflage, Springer Verlag, 2010, ISBN Gute Einführung, einfach zu lesen, teilweise etwas oberflächlich. 4. P.W. Milonni, J.H. Eberly, Laser Physics, 2. Auflage, Wiley Interscience, 2010, ISBN Gute Einführung, gut erklärt, an manchen Stellen etwas unübersichtlich. 5. A.E. Siegman, Lasers, 1. Auflage, University Science Books, 1986, ISBN: Die Bibel. Alles, was man je über Laser wissen wollte. Aufgrund der vielen Details eher zum Nachschlagen geeignet. Keine aktuellen Entwicklungen (1986!). 6. *F.K. Kneubühl, M.W. Sigrist, Laser, 7. Auflage, Springer Vieweg,2008, ISBN: Gute Einführung, sehr wenig Theorie, gute verschiedener Lasertypen.

7 Eher technisch orientierte Laserphysik: 7. S. Hooker, C. Webb, Laser Physics, 1. Auflage, Oxford University Press, 2010, ISBN: Vergleichsweise knappe, aber didaktisch gute Darstellung der Grundlagen; sehr ausführliche Kapitel über wichtige Lasertypen und nichtlineare Optik, jeweils auf dem aktuellen Stand der Technik. 8. *J. Eichler, H.J. Eichler, Laser, 8. Aufl., Springer Verlag, 2015, ISBN: Praktisch frei von jeder Theorie. Aber sehr gute über Lasertypen und technische Anwendungen. 9. K.F. Renk, Basics of Laser Physics, 2. Auflage, Springer, 2017, ISBN: Enthält grundlegendetheorie, aber mit deutlichem Schwerpunkt auf verschiedenen Lasertypen und Anwendungen.

8 Lehrbücher Quantenoptik 10. M. Fox, Quantum Optics, 1. Auflage, Oxford University Press, 2006, ISBN: Das erste Lehrbuch zur Quantenoptik (Photonen, Atom-Photon-Wechselwirkung, Quanteninformation). Hervorragende Einführung, gute Darstellung, viele experimentelle Aspekte. 11. I.R. Kenyon, The Light Fantastic, 2. Auflage, Oxford University Press, 2011, ISBN: Moderne Einführung in klassische und Quantenoptik, sehr gut lesbares Lehrbuch, viel Bezug zu Experimenten. 12. H.-A. Bachor, T.C. Ralph, A Guide to Experiments in Quantum Optics, 2. Auflage, Wiley-VCH, 2004, ISBN: Sehr gute Einführung in Theorie und Experimente zu Quantenoptik (Photonen). 13. R. Loudon, The Quantum Theory of Light, 3. Auflage, Oxford University Press, 2000, ISBN: Der Klassiker für die quantenmechanische Beschreibung von Licht und Licht-Materie- Wechselwirkung (rein theoretisch). 14. V. Vedral, Modern Foundations of Quantum Optics, 1. Auflage, Imperial College Press, 2005, ISBN: Moderne Darstellung, ausgehend von Licht und Interferenzen bis q.m. Beschreibung der Licht-Materie-Wechselwirkung. 15. C.C. Gerry, P.L. Knight, Introductory Quantum Optics, 1. Auflage, Cambridge University Press, 2004, ISBN: Lehrbuch! Theorie, aber etwas zugänglicher als Loudon, sowie moderner und anwendungsbezogener. 16. J.C. Garrison, R.Y. Chiao, Quantum Optics, 1. Auflage, Oxford University Press, 2008, ISBN: Ausführliche Darstellung der Theorie, aber recht zugänglich und mit Besprechung vieler Experimente der Quantenoptik.

9 Lehrbücher Nano-Optik 17. L. Novotny, B. Hecht, Principles of Nano-Optics, 2. Auflage, Cambridge University Press, 2012, ISBN: Ausführliche Grundlagen der Optik und der Mikroskopie auf der Nanoskala. Zur Vertiefung 18. B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, 2. Auflage, Wiley- Interscience, 2007, ISBN: ; auch in Deutsch: Grundlagen der Photonik, 2. Auflage, Wiley-VCH, 2008, ISBN: Klassiker, sehr umfangreich (> 1000 Seiten), sehr ausführliche Darstellung, sehr gute Illustrationen, viele moderne Entwicklungen. Populärwissenschaftlich 19. Th. Walther, H. Walther, "Was ist Licht? Von der klassischen Optik zur Quantenoptik", 3. Auflage, Verlag Ch. Beck, 2010, Gut verständliche, die den Bogen zur modernen Quantenoptik spannt. Weitere spezielle Literatur und zusätzliche Quellen werden im Laufe der Vorlesung explizit angegeben. * online lesbar aus dem IP-Adressbereich der UdS