Photonik. Physikalisch-technische Grundlagen der Lichtquellen, der Optik und des Lasers von Prof. Dr. Rainer Dohlus. Oldenbourg Verlag München

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1 Photonik Physikalisch-technische Grundlagen der Lichtquellen, der Optik und des Lasers von Prof. Dr. Rainer Dohlus Oldenbourg Verlag München

2 Vorwort VII 1 Grundlagen der Lichtentstehung Einführung in die Quantenoptik Die Beobachtung von Hallwachs und die Folgen DasBohrsche Atommodell Das quantenmechanische Atommodell -..'.' Schwingungsübergänge Rotationsübergänge Eigenschaften von Energieniveaus und Übergängen Die natürliche Linienbreite Die Boltzmann-Verteilung Die Dopplerverbreiterung Stoßverbreiterung Kohärenzlänge und ihre Auswirkung auf Interferenzen Lichterzeugung in Laserlichtquellen Absorption im Zwei-Niveau-System Spontane und stimulierte Emission Besetzungsinversion und Lichtverstärkung Das Vier-Niveau-System Lichterzeugung mittels Plasmen Das Plasma und seine Erzeugung Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsplasmen Spektrale Eigenschaften von Nieder- und Hochdruckentladungen Lichterzeugung durch Temperaturstrahler ,f Licht als elektromagnetische Welle Plancksches Strahlungsgesetz Der nicht-schwarze Körper Lichtentstehung in Halbleitern Donatoren und Akzeptoren Die lichtemittierende Diode Laserdioden '.. 83 Fragen 84 Aufgaben 85

3 Messung und Bewertung von Strahlung 87 Strahlungsmessung 87.1 Das Auge 87.2 Die V(X)-Kurven des Auges 89.3 Strahlungsphysikalische Grundgrößen 91.4 Zusammenhänge zwischen den strahlungsphysikalischen Größen 94.5 Lichttechnische Grundgrößen Einführung in die Farbmetrik Farbe und Farbmischung Die Graßmannschen Gesetze CIE Farbmaßsystem CIE-UCS-Farbtafel Färb wiedergabeindex 108 Fragen 112 Aufgaben : Konventionelle Lichtquellen Glühlampen Allgebrauchsglühlampen Halogenlampen Glühlampen für Sonderanwendungen Niederdruck-Entladungslampen Leuchtstofflampen Kaltkathodenlampen Natriumdampf-Niederdrucklampen Spektrallampen.' Elektrodenlose Lampen Quecksilberhochdrucklampen Die Bogenentladung Elektroden Aufbau der Lampe, Betrieb und spektrale Eigenschaften Natriumdampf-Hochdrucklampen Spektrale Eigenschaften Technische Realisierung Halogenmetalldampflampen Das Funktionsprinzip Ausführungsformen Betriebsparameter Weitere Hochdruckentladungslampen Xenonlicht für den Pkw, Xenon-Kurzbogenlampen Langbogenlampen 186

4 XI 3.7 Leuchtdioden (LEDs) Materialien und Wellenlängen Aufbau und Lichtführung Praktische Ausführung Organische LEDs 199 Fragen Licht und seine Manipulation Strahlenoptik Lichtstrahlen Fermatsches Prinzip und Snelliussches Brechungsgesetz Das Reflexionsgesetz und der sphärische Hohlspiegel Brechung an einer Kugeloberfläche Helmholtz-Lagrange-Invariante Brennweiten Die dünne Linse 230 Aufgaben Matrixformalismus der Strahlenoptik Einführung der Transformationsmatrix Die Reflexionsmatrix Die Brechungsmatrix Materialien mit Brechungsindexgradienten Beschreibung einer Kombination mehrerer Oberflächen Dicke und dünne Linsen Abbildung durch ein optisches System Hauptebenen 256 Aufgaben Dispersion Ursache der Dispersion Dispersionsformeln Achromate 277 Aufgabe Linsenfehler Sphärische Aberration y Astigmatismus Weitere Linsenfehler Der Coddington-Formfaktor Strahlbegrenzungen Blenden Blendenzahl Wellenoptik.' Huygens-Fresnelsches Prinzip 293

5 XII Inhaltsverzeichnis Beugung Beugung am Gitter Interferenz Interferenz an dünnen Schichten Bragg-Reflexion Polarisation Doppelbrechung Optische Aktivität..' Dichroismus..324 Aufgaben Lichtreflexion an Grenzschichten Die Fresnelschen Formeln Übergang vom optisch dünneren ins dichtere Medium Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Medium Reflexion an Metallen Aufgaben ' Optische Komponenten und Geräte Einzelkomponenten Werkstoffe für optische Komponenten! Spiegel und Prismen Linsen Filter Dielektrische Schichten Polarisatoren Lichtwellenleiter Optische Geräte Lupe Mikroskop Fernrohre Kamera, Objektive Projektionsgeräte Gittermonochromatoren 399 Fragen 400 Aufgaben ; ^400 6 Laserlichtquellen Allgemeine Grundlagen Axiale Moden Der Einfluss von Längenänderungen des Resonators : Güteschaltung Modenkopplung

6 XIII 6.2 Optische Resonatoren und Gauß-Bündel Transversale Moden Entstehung eines Gauß-Bündels im optischen Resonator Veränderung der Bündelparameter durch dünne Linsen und Spiegel Spitzenintensität und Leistung Festkörperlaser Dotierungen und Wirtsmaterialien Pumpanordnungen Einige Festkörper-Lasermaterialien im Detail Gaslaser ; Klassifizierung Grundlegendes zumco 2 -Laser Bauformen des CO 2 -Lasers Ionenlaser Helium-Neon-Laser Excimer-Laser Weitere Lasertypen Farbstofflaser Halbleiterlaser 462 Aufgaben Einige Anwendungsbeispiele für Laser Nutzung der starken räumlichen Bündelung Laserschneiden Laserschweißen ' Ultrakurze Laserimpulse MikroJustierung Laser in-situ Keratomileusis (LASIK) ' Ultrakurzzeitspektroskopie Nutzung der Kohärenzeigenschaften Holographie Laser-Doppler-Anemometrie Bei allen Anwendungen unabdingbar: Lasersicherheit / Gefahrensituation Die Laserklassen Schutzmaßnahmen 499 Fragen 502 A Anhang 503 A.l Lösungen zu den Aufgaben 503 A.l.l Zum Kapitell 503 A.1.2 Zum Kapitel 2 504

7 XIV Inhaltsverzeichnis A.1.3 Zum Kapitel A.1.4 Zum Kapitel A.1.5 Zum Kapitel A.1.6 Zum Kapitel A.1.7 Zum Kapitel 4.7 : 529 A.1.8 Zum Kapitel 5, 532 A.1.9 Zum Kapitel Lexikon 541 deutsch-englisch 541 englisch-deutsch 555 Literatur 569 Index 577

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