Lichtquellen allgemein und Super Kontinuum Licht. Super Kontinuum Licht Jörg Latzel Januar 2010

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1 Lichtquellen allgemein und Super Kontinuum Licht Super Kontinuum Licht Jörg Latzel Januar 2010

2 Überblick Was wollen wir lernen? Wie entsteht Licht in Halbleitern bzw. In LASERN Welche Qualität hat das Licht Welches licht eignet sich für die Messtechnik (z.b spektrale Dämpfung oder Dämpfungsmessung) Was gibt es da neues (Super Kontinuum) 1. Lichtquellen und Funktionsprinzip 1. Halogen (Wärmestrahler) 2. LED 3. LASER 2. Was bedeutet Super Kontinuum? 3. Auf welchem Prinzip beruht diese Art der Lichtquelle? 4. Anwendungsgebiete 2

3 Lichtquellen Lichtquellen unterscheiden sich nicht nur im emittierten Spektrum, sondern auch im Prinzip der Lichterzeugung. Man unterscheidet das Licht nach: Wellenlängenbereich Ausgangsleistung Spektraler Bandbreite Kohärenzlänge Polarisation Abstrahlwinkel 3

4 Lichtquellen und Breitbandigkeit Kohärenz Vergleich Normales Licht Alle Wellenlängen werden erzeugt in keinem Bezug zueinander. Nicht kohärent, kaum Interferenzen! Normales Licht gefiltert Licht einer Wellenlänge wieder ohne Bezug der Wellen zueinander Rotes Filter Nicht kohärent, keine Interferenz! LED Licht Licht mit schmalem Wellenlängenbereich. Kurze Kohärenz; kaum Interferenz! Laser Licht Eine Wellenlänge in Phase Laser Kohärentes Licht 4

5 LEDs Light Emitting Diode (LED) Wie funktionieren die bekannten LEDs? 5

6 LED Prinzip Light Emitting Diode (LED) Energieniveau λ= 980nm B3 Nicht strahlender Übergang A K A K P N B2 λ= 1480nm B Strahlender Übergang 1 Energieerklärung anhand Erbium Dotierter Faser + Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Wenn ein Strom durch die Diode fließt, wandern Negative Elektronen in die eine Richtung und Die positiven Löcher in die entgegengesetzte Richtung 6

7 LED Prinzip Light Emitting Diode (LED) A K A K P N + Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Die vorhandenen positiven Löcher haben einen geringeren Energie- Level als die freien Elektronen. Fällt nun ein Elektron in ein Loch, so verliert es Energie 7

8 LED Prinzip Light Emitting Diode (LED) A K A K P N + Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Die verlorene Energie Wird in Form eines Photons frei. Je höher die frei werdende Energie, desto größer die Energie des Photons und damit auch eine umso höhere Frequenz (niedrigere Wellenlänge) 8

9 LED Prinzip Light Emitting Diode (LED) Zur Datenübertragung über Luft umd Multimodefasern Hauptcharakteristik: Sehr günstig (Verwendung in Laptops, Flugzeugen, LANs) Am häufigsten eingesetzt für nm (sichtbar) und 780, 850 & 1300nm Ausgangsleistung bis zu einigen μw Breiter Spektraler Bereich 30 bis 100nm(3dB). Kurze Kohärenzlänge 0.01 bis 0.1mm Kaum oder gar nicht polarisiert Großer Öffnungswinkel (schwierig in Fasern zu koppeln) Weisse LED Normalisierte Leistun Halbleiter Chip Wavelength λ(nm) 9

10 LASER Dioden Inhalt Laser Diode (LD) Laser gibt es in vielen Anwendungen. Wie funktionieren Sie? 10

11 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Laser ist eine Abkürzung für : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Albert Einstein behauptete bereits 1917 dass stimulierte Lichtemission möglich sein müsse. Schliesslich wurden sie ersten LASER aber erst 1960 realisiert. Ein LASER emittiert normales Licht mit dem Unterschied, dass dieses Licht viel stärker und kohärent ist. Köhärent bedeutet in Phase und in direktem Bezug zueinander. 11

12 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Die Laserdiode besteht ähnlich der LED aus P und N Halbleitermaterial Beim Anlegen eines Stromes in Durchflussrichtiung wandern wie bei der LED auch hier die Elektronen aus dem N-Bereich in den P-Bereich Dort verbleiben sie kurz und fallen dann auf ein niedrigeres Energieniveau, wobei die frei werdende Energie als Licht emittiert wird Den Unterschied zur LED finden wir auf den nächsten Folien + FP LASER 12

13 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Optische Cavität Ein LASER wird entscheidend durch den optischen Resonator geprägt (optical cavity). Licht, welches nach dem LED Prinzip emittiert wurde, wird in den Resonator geleitet. In diesem Halbleiterresonatorherrscht durch das Anlegen eines hohen Stromes ein erregter Zustand der einzelnen vorhandenen Atome. Trifft nun ein Lichtteilchen (erzeugt vom LED Prinzip) auf ein solch erregtes Atom, so kehrt das Atom in den Ruhezustand zurück, und emittiert ein weiteres Photon mit gleicher Energie und Frequenz wie das ursprüngliche Photon. Durch erneutes Anstossen der nun 2 Photonen werden wieder weitere Photonen erzeugt, die in einer Kettenreaktion weitere Photonen erzeugen. Dieser Vorgang findet nur dann statt, wenn der Verlust im Resonator (Qalität der Reflektoren, innere Verluste) klein genug ist, um die Anzahl der Photonen zu erhöhen. LASER Licht durchbricht den halbdurchlässigen Spiegel 100% reflective mirror 70% reflective mirror Erregtes Atom Atom im Grundstatus Licht (Photon) (z.b. durch anlegen eines hohen Stroms 13

14 Lichtquellenvergleich Laser Diode (LD FP (Fabry Perot LASER)) Die Resonatorlänge ist optimal für eine Wellenlänge, arbeitet aber für weitere benachbarte Wellenlängen semioptimal die 50% Bandbreite des LASERs kann bis zu 5nm betragen Somit wird nicht nur eine Hauptmode, sondern es werden weitere Nebenmoden auch relativ stark emittiert LASER Licht durchbricht den halbdurchlässigen Spiegel 14

15 Lichtquellenvergleich Laser Diode (LD DFB (Distributed Feedback LASER)) Die Resonatorlänge des DFBs ist verteilt und so konstruiert, dass die Verteilung eine Wellenlänge optimiert verstärkt und andere durch destruktive Interferenz unterdrückt Die Peride des Gitters (z.b. FBG) ist inphase für die Wellenlänge LAMBDA, gibt aber irregulare Phasen für alle anderen dicht bei Lambda liegende Wellenlängen.Eine Reflektion findet im o.a. Konstrukt jeweils an den dichterem Glas statt. Die Abfolge beträgt lambda/2 15

16 Lichtquellenvergleich Während die Modenbreite von FP Lasern im Bereich von 0,01pm liegt, entspricht die Seitenmodenbreite bei DFB Lasern etwa 0,2nm 16

17 Was ist Super Kontinuum? Kurze Lichtpulse z.b. von Lasern im mit einer Dauer von 100 fs oder weniger haben die Eigenschaft, sich bei Ihrer Ausbreitung auf Glas spektral zu verbreitern Die Spektrale Verbreiterung nimmt den gesamten sichtbaren Bereich bis in den Infraroten Bereich ein solche spektralen Breiten nennt man SuperKontinuum! 17

18 Grundlage zur Lichtausbreitung in Fasern, Brechzahlenunterschiede im Glas Multimode Fase, Stufenindex Multimode FaserGradienten Index Singlemode Faser, Stufen Index Links werden reguläre Brechzahlenuntersch iede zugrunde gelegt. Bei der Annahme einer irregulären Veränderung des Brechzahlenprofiles würde sich eine Veränderung der Lichtausbreitung in Geschwindigkeit und Phase ergeben können. 18

19 Auf welchen Prinzipien beruht das Superkontinuum? Bei der Entstehung des Superkontinuum wirken im wesentlichen nicht lineare Effekte: Selbstphasenmodulation SPM Entstehung aus Wechselwirkung von Licht mit Materie; im wesentlichen verursacht durch den KERR Effekt: Die Brechzahl n ist in Medien mit hoher optischer Intensität intensitätsabhängig dass bedeutet, dass sich die Brechzahl mit unterschiedlicher Intensität des Lichtsignales ändert! 19

20 Was bedeutet hohe Intensität? Eine hohe Intensität (400 GW/cm²) kann man erreichen, indem man entweder einen starken LASER verwendet, oder die Querschnittfläche verringert auf die ein schacher LASER strahlt Da die Verwendung starker LASER eher uneffektiv ist (hohe Leistungsaufnahme) verwendet man zur Erzeugung von Superkontiuum Spektren spezielle dünne Fasern Poly Cristal Fibers (PCF) haben einen Kern von 2µm und haben eine genügend kleine Quesrschnittfläche um bereits bei wenigen 100mW Laserleistung nicht lineare Effekte zu zeigen (Struktur siehe nächste Folie) Eine Standard Singlemode Faser könnte ebenfalls verwendet werden, wenn sie unter Hitzeeinwirkung lang gezogen und damit verjüngt wird bis Sie einen Gesamtdurchmesser von 2µm hat (siehe übernächste Folie) 20

21 PCF Faser PCF (photonische Kristallfasern) aus Quarzglas Kern: d 2μm Faserlänge ca. 2cm reicht aus um Weisslicht zu erzeugen 21

22 Fasertapern Herstellung Glasröhrchen stapeln mit Fasermantel Tapern (ziehen) 22

23 Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (1/3) Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Faser ist wellenlängenabhängig, da das Licht je nach Wellenlänge andere optische Pfade verfolgt; vergl. Ausbreitung in SI Faser: Diese sogenannte Dispersion vermag die unterschiedlichen Frequenzanteile negativ in der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu beeinflussen (hier zu chirpen), während der nichtlineare neu entstandene Brechungsindex (entstanden durch die hohe Intensität) zu einem positiven Chirp führen kann Der Lichpuls kann so unter Umständen zeitlich und spektral (abgesehen von der bereits verursachten Verbreiterung) gleich bleiben (fundamentales Soliton) (Bedeutung fundametal und höh. Ordung auf nächster Folie) Breiten sich Solitonen höherer Ordnung aus, so können diese sich durch Dispersion oder Raman Streuung (Material/Wellenwirkung) zerfallen, also nicht stabil bleiben wie die fundamentalen Solitonen Raman Streuung führt zur Wellenlängenverschiebung nach oben (rot) und der übrigbleibende Teil der Energie verschiebt sich nach unten (ins blaue) 23

24 Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (2/3) Das Phänomen der Solitonen ist erstmalig beschrieben worden durch John Scutt Russell: Russell ritt mehrere Kilometer neben einer etwa 10 Meter langen und etwa einen halben Meter hohen Wasserwelle, welche sich in einem engen schottischen Kanal ausbreitete, und beobachtete, dass sich deren Wellenform nur wenig veränderte. Anders als normale Wellen vereinigen sie sich nicht. Eine kleine Welle wird von einer Größeren überholt. Wenn eine Welle zu groß für die Wassertiefe ist, teilt sie sich in zwei Wellen: eine Große und eine Kleine (fundamental und höherer Ordnung)->in der Optik passiert das, wenn man den Puls verlängert oder die Fächen -Energie erhöht! Erzeugung eines Solitons; Herkunft: Mathematics, Heriot-Watt University 24

25 Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (3/3) Die Welle ist klein genug, um komplett im Kanal weiter geleitet zu werden Die Welle ist zu groß um ungestört weitergeleitet zu werden, da das Medium Nicht ausreicht, um diese Welle aufzunehmen; in der Regel zerfällt eine solche Welle in die höheren Ordnungen. 25

26 Was ist Brillouin / Raman Scattering (Backscattering) Rayleigh Rückstreuung Durch Inhomogenitäten im Glas kommt es an jeder Stelle in der Faser zu Streuungen. Diese Streuung fällt teils als Rückstreuung aus und wird somit zum Sender (OTDR/BOTDR) zurück gestreut. Dieses Licht verwendet das OTDR um eine Aussage zur Dämpfung zu machen: Je höher die Rückstreuung umso größer die Dämpfung Kern LD- Quelle ankommendes Licht 26 gestreutes Licht (teils rückgestreut) 26

27 3. Was ist Brillouin / Raman Scattering (Backscattering) Rück -Streuungs Frequenzen (Frequenz[Hz]) Quelle ( 0) Intensität Rayleigh Streuung ( 0) Brillouin Frequenz ( B ) Raman Frequenz ( 0 ) Raman Frequenz ( 0+ ) Wellenlänge (Frequenz) 27 27

28 Welcher weitere Faktor beeinflusst die Entstehung des Superkontinuums? 4 Wellen MischenFWM (fourwavemixing) ebenfalls nichtlinearer Effekt durch Kerr-Effekt Prinzipiell alle Summen und Differenzbildungen möglich die Energieerhaltung und Impulserhaltung erfüllen Dieses Bild basiert auf dem Bild four wave mixing aus Wikimedia Commons Autor:??? 28

29 Generations Setup zum Superkontinuum Abschwächer LASER PCF OSA Linse Bestehend aus: Lambda/2 Plättchen Polarisationssplitter Filter Je nach Polarisation des eingekoppelten Lichts verändert sich die Effektivität nichtlinearen Effekte! 29

30 Was ist Super Kontinuum? 30

31 Was ist Super Kontinuum? Bereich unter 600nm 31

32 Warum neue Superkontinua // die Anwendungsgebiete? Die klassischen Anwendungsgebiete von Breitbandlicht wie Halogenlicht gelten auch für das Super Kontinuum aber wir haben hier: Breiteres Spektrum Definierbare Kohärenz Höhere Leistung als thermische Strahler Test von CWDM/DWDM-Filter (Demo) Dünnfilm- und Antireflex-Beschichtungen PON-Filter chromatische Dispersion in Fasern und Wellenleitern Beurteilung der Schräglage der Faserdämpfung Weitere Anwendungen sind nun aber nur für das Super Kontinuum und nicht für die Halogenlampe: optische Kohärenz-Tomographie (OTC) konfokale Mikroskopie 32

33 Überblick 1. Lichtquellen Halogen (Wärmestrahler nur Demo) LED LASER Was bedeutet Super Kontinuum? Auf welchem Prinzip beruht diese Art der Lichtquelle? Anwendungsgebiete 33

34 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 34