Optik, Licht und Laser. Von Prof. Dr. rer. nat. Dieter Meschede Universität Bann

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1 Optik, Licht und Laser Von Prof. Dr. rer. nat. Dieter Meschede Universität Bann m B. G. Teubner Stuttgart Leipzig 1999

2 Prof. Dr. rer. nat. Dieter Meschede Studium in Hannover, Köln, Soulder, Co (USA) und München ( ). Postdoc und Assistant Professor an der Yale University, New Haven, Ct (USA) ( ). Mitarbeiter am Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ( ). Professor für Experimentalphysik in Hannover ( ) und Sonn (seit 1994) ISBN ISBN (ebook) DOI / Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb derengen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig

3 Vorwort Die Optik taucht heute nur noch selten als große, eigenständige Vorlesung im Studienplan der Naturwissenschaften auf. Sie ist aber implizit stets' vorhanden, und ihre propädeutischen Beiträge zur Theorie klassischer Felder oder der Quantenmechanik sind unbestritten. Schon im Hörsaal und in der Schule erlauben Laserlichtquellen wegen ihrer hohen Kohärenz einen viel bequemeren Zugang zum Beispiel zu Beugungsphänomenen als klassische "Lampen". Es erscheint daher nur angemessen, den nach 1960 entstandenen Konzepten und Methoden der Optik von Anfang an auch in der Lehre breiteren Raum zu gewähren. Dieser Text versucht, beginnend mit der Strahlenoptik einerseits zentrale, zum Teil seit fast 200 Jahren etablierte Konzepte der Optik vorzustellen, andererseits den Leser bis zu den neuesten Forschungsarbeiten wie Laserkühlung oder Holographie zu führen. Der dabei notwendige Kompromiß zwischen Breite und Tiefe setzt Vertrautheit mit den formalen Konzepten der Elektrodynamik und in geringerem Umfang der Quantenmechanik voraus. Im naturwissenschaftlichen Studium kann dieser Text Grundlage von Vorlesungen zur modernen Optik sein: Angebote zur klassischen Optik, Laserphysik, Laserspektroskopie, Nichtlinearen Optik oder Angewandten Optik können davon profitieren. Die Lehrmethoden werden in Zukunft durch Informationen im Internet ergänzt werden. Der Autor glaubt aber, daß dieser Text nicht der letzte ist, der noch auf eher konventionellle Art und Weise verfügbar gemacht wird. Allerdings sollen dem interessierten Leser Aufgaben zum Text und Zusatzinformationen per Internet zugänglich gemacht werden unter der Adresse:

4 4 Vorwort Dieser Text ist über mehrere Jahre aus zahlreichen Vorlesungen heraus entstanden, und den Studierenden der Universitäten Hannover und Bonn möchte ich an dieser Stelle für ihre Begeisterung und ihr konsequentes Nachfragen in den Vorlesungen danken, die diesen Text veranlaßt haben. Und das Schreiben kostet Zeit, viel Zeit, für die meine Familie ein großes Maß an Geduld aufgebracht hat. Vielen Dank. Bonn, den 9. September 1999

5 Inhaltsverzeichnis 1 Lichtstrahlen Lichtstrahlen in menschlicher Erfahrung Strahlenoptik Reflexion Brechung Fermatsches Prinzip Prismen Lichtstrahlen in Glasfasern Linsen und Hohlspiegel Matrizenoptik Strahlenoptik und Teilchenoptik Wellenoptik Elektromagnetische Strahlungsfelder Wellentypen Gauß-Strahlen Polarisation Beugung Lichtausbreitung in Materie Dielektrische Grenzflächen Komplexe Brechzahl Lichtwellenleiter Lichtpulse in dispersiven Materialien Anisotrope optische Materialien

6 6 Inhaltsverzeichnis Optische Modulatoren Abbildungen Das menschliche Auge Lupen und Okulare. Mikroskope Teleskope. Linsen: Bauformen und Fehler. Kohärenz und Interferometrie Kohärenz und Korrelation Youngs Doppelspalt und transversale Kohärenz Michelson-Interferometer: Longitudinale Kohärenz Fabry-Perot-Interferometer Optische Resonatoren.. Dünne optische Schichten Holographie.. Speckelmuster. Licht und Materie Klassische Strahl ungswechsel wirkung Zwei-Niveau-Atome.... Stimulierte und spontane Strahlungsprozesse. Inversion und Verstärkung. Laser Die Klassiker: Helium-Neon-Laser. Modenselektion im HeNe-Laser.. Spektrale Eigenschaften des HeNe-Lasers. Anwendungen des HeNe-Lasers Andere Gaslaser Molekülgas-Laser Die Arbeitspferde: Festkörper-Laser

7 Inhaltsverzeichnis Ausgewählte Festkörperlaser. Durchstimmbare Laser mit vibronischen Zuständen Laserdynamik Grundzüge einer Lasertheorie Laser-Ratengleichungen... Schwellenlose Laser und Mikrolaser Laserrauschen. Gepulste Laser Halbleiter-Laser Halbleiter.... Optische Eigenschaften von Halbleitern. Heterostruktur-Laser.... Dynamische Eigenschaften von Halbleiterlasern Laserdioden - Diodenlaser - Lasersysteme Hochleistungs-Laserdioden.... Sensoren für Licht Kenngrößen optischer Detektoren Schwankungen optoelektrischer Meßgrößen. Photonenrauschen und Nachweisgrenzen Thermische Detektoren.... Quantensensoren I: Photomultiplier. Quantensensoren 11: Halbleitersensoren Positions- und Bildsensoren Laserspektroskopie Laserinduzierte Fluoreszenz Absorption und Dispersion Die Breite von Spektrallinien Doppler-freie Spektroskopie Transiente Phänomene

8 8 Inhaltsverzeichnis A A.1 A.2 B B.1 B.2 B.3 Lichtkräfte Nichtlineare Optik I: Optische Mischprozesse Anharmonische geladene Oszillatoren.. Nichtlineare Suszeptibilität 2. Ordnung. Wellenausbreitung in nichtlinearen Medien Frequenzverdopplung Summen- und Differenzfrequenz. Nichtlineare Optik II: Vierwellenmisch1lllg Frequenzverdreifachung in Gasen Nichtlinearer Brechungsindex Selbstphasenmodulation.. Mathematik für die Optik Spektralzerlegung schwankender Meßgrößen Poynting-Theorem Ergänz1lllgen zur Quantenmechanik Zeitliche Entwicklung eines Zweizustandssystems Dichtematrix-Formalismus. Zustands dichten Literaturverzeichnis Index