Optische Systeme. Inhalte der Vorlesung. Étendue oder Es gibt keinen Lichttrichter!! sin

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1 Inhalte der Vorlesung 14.2 Optische Systeme Martina Gerken Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro 6.2 BARCO: Introduction to displays 6.3 Lichtwellenleiter 6.4 Klassifizierung optischer Komponenten 6.5 Mikrooptische Systeme 6.6 Nanooptik Universität Karlsruhe (TH) Étendue oder Es gibt keinen Lichttrichter!! 14.3 Lichtwellenleiter 14.4 Étendue ist Erhaltungsgröße (Lagrange-Invariante) des optischen Systems Äquivalent zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Entropie in einem abgeschlossenen System nimmt niemals ab Oder: Es gibt kein Perpetuum mobile zweiter Art. Kleinste Étendue ist System bestimmend Optische Elemente können Étendue nur erhalten oder größer machen! Multiplexing ist jedoch möglich über Wellenlänge Polarisation Zeit Licht durch Vielfachreflexionen an Begrenzungsflächen weitergeleitet Z.B. zylindrische Faser Kernglas n K von Mantelglas n M mit niedrigerer Brechzahl umgeben Totalreflexion für Einfallswinkel ε 0 <σ max Grenzwinkel der Totalreflexion: sin ε 1 g = n Numerische Apertur des geraden Lichtleiters: sin max = n K nm NA = n σ M n K Quelle: Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik

2 Lichtwellenleiter 14.5 Fermatsches Prinzip: Schichtstapel 14.6 Konische Faser Konzentration des Lichtstroms auf kleinere Austrittsfläche führt zu Aperturvergrößerung (étendue!) D.h. n K muss zum Ausgang hin größer werden Alternativ: Lichtverlust Licht durchläuft von S nach P Strecke mit kleinster optischer Weglänge Definition optischer Weglänge: t = m i= 1 si v i 1 = c m i= 1 n s i i m i= 1 n i s i Bei inhomogenen Medien: Gekrümmte zylindrische Faser Apertur verringert (D: Faserkerndurchmesser, r: Krümmungsradius) 1 t = c P S n dl sinσ max n 2 K n 2 M D 1 + 2r 2 Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik Moderne Formulierung: Ein Lichtstrahl muss beim Durchgang von Punkt S nach Punkt P eine optische Weglänge durchlaufen, die stationär in Bezug auf Änderungen jenes Weges ist. Quelle: E. Hecht, Optik Gradientenoptik 14.7 Pulspropagation in Faser 14.8 Optische Elemente mit kontinuierlich veränderlicher Brechzahl Brechzahlprofil über Ionenaustauschprozess hergestellt Beispiel 1: Sphärische Linse mit axialer Gradientenoptik wirkt wie asphärische Linse Korrektur der sphärischen Abberation Beispiel 2: GRIN-Linse mit radialem Gradienten Je nach Linsenlänge wird Fokussierung erreicht (selbstfokussierende Linse) In Multimodefaser verschiedene Weglängen und dadurch hohe zeitliche Dispersion (Puls läuft auseinander) Gradientenfaser verringert Dispersion, da längere Wege bei niedrigerem Brechungsindex Geringste Dispersion bei Singlemode-Faser, da nur eine mögliche Wegstrecke Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik Quelle:

3 Faserbündel zur Lichtleitung 14.9 Bildleitfaserbündel Mehrarmige Lichtleitbündel erlauben Lichtverteilung bzw. Anordnung von Beleuchtungs- und Empfangsbündeln Anwendung z.b. Lichtschranken für Bahn Ba mit Marken M Geordnete Faserbündel zur Bildübertragung Auflösung bestimmt durch Rasterung Anwendung z.b. für Endoskop L: Lampe, WF: Wärmeschutzfilter, Ob: Objektiv, Ok: Okular Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik Inhalte der Vorlesung Makro- und Mikrooptik Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro 6.2 BARCO: Introduction to displays 6.3 Lichtwellenleiter 6.4 Klassifizierung optischer Komponenten 6.5 Mikrooptische Systeme 6.6 Nanooptik Definition von Mikrooptik: Herstellung mit Mikrotechnologie Minimale Merkmalsgröße im Mikrometerbereich (Gesamtbauelement kann größer sein) Meistens planare, lithographische Herstellungsverfahren Parallele Herstellung vieler Komponenten

4 Wellenleiter- und Freistrahloptiken Diskrete Optik und integrierte Optik Optische Systeme können als Wellenleiteroptiken (a) oder als Freistrahloptiken (b) oder als Kombination (c) realisiert werden Anwendung bestimmt, welche Realisierung die beste ist Beispiel: Direct space-to-time (DST) pulse shaper ; Leaird/Shen/Weiner; LEOS Newsletter, Dezember 2000 Integrierte Optik Brechung, Spiegelung, Beugung Ziel der Integrierten Optik ist es, verkleinerte optische Systeme mit hoher Funktionalität (Lichtquellen, Wellenleiter, Strahlteiler, Intensitäts- oder Phasen-Modulatoren, Filter, Schalter usw.) auf einem Substrat unterzubringen Beispiel: Direct space-to-time (DST) pulse shaper Komponenten nicht 1:1 übertragbar, bessere integrierte Ausführung durch neue Komponentenzusammenstellung Optische Funktionen können mit Hilfe von Brechung, Spiegelung oder Beugung realisiert werden bzw. über eine Kombination Quelle: Leaird/Shen/Weiner; LEOS Newsletter, Dezember 2000

5 Refraktive Optiken Diffraktive Optiken Lichtlenkung durch Brechung Lichtlenkung durch Beugung und Interferenz Funktionsweise entspricht computergeneriertem Hologramm (CGH) DOE wird so entworfen, dass gewünschte Lichtlenkung erreicht wird (Holographic optical element) Vergleich refraktive und diffraktive Optiken Refraktive Optiken Lichtlenkung durch Brechung Diffraktive Optiken Lichtlenkung durch Beugung und Interferenz Beispiel: Refraktive Mikrolinsen Lithographische Strukturierung mit anschließendem Aufschmelzen, um sphärische Form zu erhalten Beispiel: Konvexlinse Funktioniert für breiten Wellenlängenbereich Fresnel-Gleichung zentral Hohe Abbildungsqualität Beispiel: Beugungsgitter Funktioniert nur für Designwellenlänge Bragg-Gleichung zentral Mehrere Funktionalitäten können in einem DOE vereint werden Leicht und klein Auf beliebigen Substratmaterialien und formen herstellbar

6 Beispiel: Refraktive Mikrolinsen Beispiel: Diffraktive Linsen Eigenschaften der Mikrolinsen durch Herstellungsparameter bestimmt Fresnelsche Zonenplatte ist diffraktive Linse Herstellung z.b. mit Elektronenstrahllithographie und anschließendem Heißprägen Beispiel: Fresnellinse Beispiel: Mikrolinsenarray Aufnahme 20x mit Phasenkonstrast Aufnahme 4x

7 Beispiel: Beam Shaper Beispiel: Gitter Aufnahme 4x Aufnahme 40x Beispiel: Spot Array Generator 7 x Beispiel: Spot Array Generator 8 x Aufnahme 40x Aufnahme 40x

8 Beispiel: Micro-Optic German Inhalte der Vorlesung Aufnahme 40x 1. Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro 6.2 BARCO: Introduction to displays 6.3 Lichtwellenleiter 6.4 Klassifizierung optischer Komponenten 6.5 Mikrooptische Systeme 6.6 Nanooptik Herstellung mikrooptischer Systeme: Planarsystem Herstellung mikrooptischer Systeme: Stapeloptik Gesamtes System wird auf einmal prozessiert Substrate werden nacheinander hergestellt und gestapelt

9 Herstellung mikrooptischer Systeme: MOEMS Herstellung mikrooptischer Systeme: MOEMS Micro-opto-electro-mechanical-systems MOEMS Herstellung durch Bulk Präparation (Z.B. tiefe Löcher und Gräben) Oberflächenpräparation MOEMS Grundelemente Beispiele: MOEMS Alle optischen Grundelemente können mit MOEMS realisiert werden: Selbst aufklappende Fresnel-Linse Rotierender Spiegel mit Mikromotor Schaltzeiten je nach Größe weniger als 1 ms

10 Beispiel: Digital Light Processing (DLP) Beispiel: Mikrolinsenarray für Faserstecker Strahlablenkung in Displays Quelle: Beispiel: Arrayed-Waveguide Grating (AWG) Beispiel: Mikrospektrometer Lichtweg von (1) nach (5) funktioniert als Wellenlängendemultiplexer, von (5) nach (1) als Multiplexer. Licht aus Eingangslichtleiter (1) durchläuft Freistrahlbereich (2) und wird in Anordnung von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge (3) eingespeist. Nach dem Austritt aus Wellenleitern interferieren Teilstrahlen in weiterem Freistrahlbereich (4) so, dass in jeden Ausgangswellenleiter (5) jeweils nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge eintreten kann. Orangefarbenen Linien dienen nur der Illustration des Lichtweges. Multiplexen von 96 Wellenlängen auf nur ca. 10 cm 2 möglich! Quelle: Quelle:

11 Beispiel: Shack-Hartmann-Sensor Beispiel: Shack-Hartmann-Sensor Dient der Bestimmung von Wellenfronten Einsatz in der adaptiven Optik für Teleskope Einsatz in der Charakterisierung von Kunststoffoptiken Quelle: Quelle: Pruss/Seifert/Osten, Optik & Photonik, S. 32, November 2006 Lab-on-a-Chip Inhalte der Vorlesung Reagenzien in Mikrofluidikkanälen Forschungsthema am LTI: Integration von optischem System auf gleiches Substrat 1. Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro 6.2 BARCO: Introduction to displays 6.3 Lichtwellenleiter 6.4 Klassifizierung optischer Komponenten 6.5 Mikrooptische Systeme 6.6 Nanooptik

12 Nanooptik Photonische Kristalle Definition von Nanooptik: Herstellung mit Nanotechnologie Minimale Merkmalsgröße im Nanometerbereich (Gesamtbauelement kann größer sein) Periodische Modulierung des Brechungsindex Periode in Größenordnung der Wellenlänge Quelle: Quelle: Joannopoulos/Meade/Winn, Photonic Crystals-Molding the Flow of Light (1995). 3D Photonische Kristalle Bandstruktur einer inversen Siliziumopalstruktur Äquivalent zu der Bandstruktur für Elektronen im Festkörper ergeben sich erlaubte Bänder und Bandlücken für Photonen Quellen: H. Sözüer, J. Haus, R. Inguva, Phys. Rev. B 45, (1992) J. Wijnhoven, W. Vos, Science 281, 802 (1998) A. Blanco et al., Nature 405, 437 (2000) Y.A. Vlasov et al., Nature 414, 289 (2001) Quelle: K. Busch

13 Beispiel: Wellenleiter und Splitter Superprisma-Effekt Neuartige Wellenleiter mit kleinen Krümmungsradien möglich Neue Ansätze für integrierte Optik Starke Änderung der Ausbreitungsrichtung mit Wellenlänge Hervorgerufen durch Nanostrukturierung nicht durch Materialdispersion Quelle: ab-initio.mit.edu Quelle: K. Busch Quelle: H. Kosaka et al., Phys. Rev. B 58, R R (1998). Photonische Kristall Faser Photonische Kristall Faser 14.52

14 Fabrication of Optical Antennas Super Emitter Concept II. Focused ion-beam milling Au antennas & rods Analysis by SEM and AFM 125 nm Scanning optical bowtie antenna ~5 nm Quantum Dot 200 nm SEM AFM Quelle: H. Eisler Mehr zum Thema in der Vorlesung Nanooptik im nächsten Semester! Quelle: H. Eisler Fragensammlung Was ist ein Lichtwellenleiter? Wie ändert sich die Apertur einer Faser bei Krümmung? Skizzieren Sie ein optisches Element, das Gradientenoptik benutzt! Was ist ein Bildleitfaserbündel? Skizzieren Sie den Aufbau eines Endoskops! Was ist Mikrooptik? Was ist integrierte Optik? Welche Möglichkeiten gibt es, um ein fokussierendes Element zu realisieren? Vergleichen Sie die Eigenschaften refraktiver und diffraktiver Optiken! Skizzieren Sie eine refraktive Linse und eine diffraktive Linse! Nennen Sie zwei Beispiele für mikrooptische Systeme! Was ist Nanooptik? Inhalte der Vorlesung Optische Systeme 1. Grundlagen der Wellenoptik 1.1 Die Helmholtz-Gleichung 1.2 Lösungen der Helmholtz-Gleichung: Ebene Wellen und Kugelwellen 1.3 Das Huygenssche Prinzip 1.4 Reflexion und Brechung an Grenzflächen 1.5 Fermatsches Prinzip 2. Abbildende optische Systeme 2.1 Fotografie 2.2 Planplatten und Reflexionsprismen 2.3 Schärfentiefe 2.4 Gaußscher Strahl 2.5 Lupe / Mikroskop 2.6 Blenden / Aperturen 2.7 Aberrationen 2.8 Bekannte Mikroskope 2.9 Strahlaufweiter 2.10 Teleskope 2.11 Optikdesign 3. Optische Messtechnik 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 14.56

15 Inhalte der Vorlesung Optische Systeme 1. Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3.1 Spektroskopie 3.2 Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 4.1 Direkte Materialbearbeitung mit Lasern 4.2 Optische Lithographie 5. Optik in der Datenspeicherung 5.1 Kopierer und Laserdrucker 5.2 Einschub: Polarisationskontrolle 5.3 CD-/DVD-Spieler 5.4 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD) 5.5 Holographische Datenspeicher 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro 6.2 BARCO: Introduction to displays 6.3 Lichtwellenleiter 6.4 Klassifizierung optischer Komponenten 6.5 Mikrooptische Systeme 6.6 Nanooptik Ziele der Vorlesung Optische Grundlagen erklären können Was ist die Brennweite einer optischen Linse? Funktionsweise eines optischen Systems beschreiben können Erklären Sie die Funktionsweise eines Mikroskops! Gängige optische Systeme aus verschiedenen Bereichen erläutern können Beschreiben Sie ein modernes optisches Mikroskop! Optisches System für bestimmten Zweck auslegen können Legen Sie ein einfaches Mikroskop mit zwei Linsen aus! beim Hersteller von DVD-Spielern Wo gibt es mehr zu optischen Systemen? Frau X / Herr Y, Sie sind doch Experte für optische Systeme. Wir müssen unseren DVD-Spieler dringend mit dem neuen Speichermedium kompatibel machen. Bitte entwickeln Sie bis heute Abend einen Aktionsplan! Strahlengang neu auslegen und Abberationen minimieren Auflösungsvermögen begrenzt durch Beugung Licht- und Displaytechnik Wintersemester, 3 SWS Prof. U. Lemmer, Dr. K. Manz, Dipl.-Ing. K. Klinger Optische Kommunikationssysteme Sommersemester, 3 SWS Prof. Dr. J. Leuthold Gitter auf neue Wellenlänge anpassen Antireflexschichten anpassen NA des Objektivs erhöhen Lasermesstechnik I & II Wintersemester und Sommersemester, je 2 SWS Prof. Dr. M. Hugenschmidt Optische Methoden in der Medizintechnik Wintersemester, 1 SWS Dr. sc. nat. M. Kaschke (Laserdiode und Detektor austauschen) Wellenlänge verringern λ/4-plättchen auf neue Wellenlänge anpassen