Terminübersicht der Vorlesung Optoelektronik I

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1 Terminübersicht der Vorlesung Optoelektronik I Termin Thema Dozent Mi Einführung Lemmer Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer der Optoelektronik Mi Lumineszenz, Epitaxie Lemmer Mi Die LED als Halbleiterbauelement Lemmer Do Exkursion Automotive Lighting- Di LEDs für die Lichttechnik, Lemmer Herstellungstechnologien Mi Optik in Halbleiterbauelementen Lemmer Di Matlab-Rechnerübung (K-Pool) Gerken Mi Einführung Laserdioden (Vorlesung) Lemmer Matlab-Saal-Übung Wellenleitung Gerken Di Matlab-Rechnerübung (K-Pool) Gerken Mi Matlab-Saal-Übung Laserdioden Gerken Präsentation Laborversuch Mi Pfingstwoche Di Betrieb von Leucht- und Laserdioden Lemmer Di Modulatoren Lemmer Mi Systeme der Optischen Bastian Nachrichtentechnik Di Matlab-Rechnerübung (K-Pool) Gerken Mi Matlab-Saalübung Modulatoren/ONT Gerken Di Grundlagen der Lasertechnik Lemmer Mi Weitere Festkörperstrahlungsquellen Lemmer Di Grundlagen der Lichttechnik Lemmer Mi Displaytechnologien Lemmer Mi Nichtlineare Optik Lemmer Mi /Do Exkursion R/M Lemmer

2 Prüfung/Exkursion Prüfung: mündl min, Termin nach Absprache ( ) (Ergänzte) Unterlagen zur Vorlesung werden ab dem am LtI verkauft (3 ) Exkursion: Terminplan: Mittwoch, , 7:30 Uhr: Abfahrt Karlsruhe (vor dem LTI) Mittwoch, , 13:00 Uhr: OSRAM OS, Regensburg anschliessend: Fahrt zur Übernachtung im Raum München Donnerstag, , 9:00 Uhr: Shell Solar, Neuperlach Donnerstag, , 11:00 Uhr: Infineon, Finisar, Optun, Neuperlach Donnerstag, , 14:00 Uhr: RWESchottsolar Putzbrunn anschliessend Rückfahrt nach Karlsruhe Ankunft Karlsruhe: , 20:00 Uhr Anmeldung: gegen 10 bis Freitag 12:00 Uhr im LTI

3 XIV: Nichtlineare Optik - Maxwell-Gleichungen und lineare Optik - Materialgleichungen - Nichtlineare Effekte - Effekte der nichtlinearen Optik -Anwendungen der NLO: - Laserpointer - Festkörperlaser - Laser displays - Optische Schalter

4 XIV.1 Lineare Optik in Materialien Maxwell-Gleichungen beschreiben Beziehungen zwischen Ladungs- und Stromdichten und elektrischen und magnetischen Feldern:!" divd = ρ!"!" B rote = t!"!" D " roth = + j t!" divb = 0 DielektrischeVerschiebung D!" Elektrische Feldstärke E!" Magnetische Induktion B!" Magnetische Feldstärke H!" Im Vakuum:!"!" D = ε0e!"!" B = µ H 0

5 Lineare Optik in Materialien!"!"!" D = ε0e + P B!" = µ ( H!" + M!!" ) 0 P!" : Polarisation (Dipoldichte)

6 Lineare Optik in Materialien Frequenzabh. Materialgleichungen:!"!" D( ω) = εε0e; ε = 1+ χ!"!" B( ω ) = µµ 0H; µ = 1+ χmag!"!" P = ε0 χe (Suszeptibilität χ) χ ω = # 15 mag ( 10 Hz) 1 Wellengleichung: 2 2!"!" E + ( ω / c) µ ( ω) ε( ω) E = 0 Anschluss an die Optik: n 2 ( ω) = εω ( ) = 1 + χω ( )

7 Lineare Optik Wellengleichung: Anschluss an die Optik:!"!" ( / ) ( ) ( ) E + ω c µ ω ε ω E = n 2 ( ω) = εω ( ) = 1 + χω ( ) - Suzeptibilität χ unabhängig von der Intensität - Materialeigenschaften stecken im Brechungsindex - Superpositionsprinzip der em. Wellen - Interferenzerscheinungen - Erhaltung der Frequenz

8 Lineare Optik: Mikroskopisch gesehen Differentialgleichung: Mikroskopische Berechnung der Suszeptibilität

9 Nichtlineare Optik: Mikroskopisch gesehen Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Rückstellkraft und E-Feld

10 XIV.2: Nichtlineare Polarisation Im mikroskopischen Bild: Erzeugung von Oberwellen

11 Lineare und nichtlineare Polarisation

12 Polarisationen bei verschiedenen Frequenzen

13 XIV.2: Nichtlineare Polarisation Im mikroskopischen Bild: Formal: Tensorieller Zusammenhang Erzeugung von Oberwellen Ergibt Quellterm in Wellengleichung:

14 XIV.3: Nichtlinear optische Effekte

15 Nichtlineare Wechselwirkung zweier em. Wellen Graphische Darstellung der verschiedenen nichtlinear optischen Prozesse:

16 Nichtlinear optische Effekte

17 Summenfrequenzerzeugung in Kristall

18 Differenzfrequenzerzeugung

19 fundamentale und frequenzverdoppelte Welle müssen mit gleicher Phasengeschwindigkeit laufen (=gleiche Brechungsindices)

20 XIV.4: Phasenanpassung

21 Phasenanpassung in doppelbrechenden Kristallen

22 Phasenanpassung

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26

27 XIV.5: Frequenzkonversion von IR-Laserlicht, Kaskadierung

28 Effiziente SHG in Resonatoren

29 Effiziente SHG im grünen Laserpointer

30 Effiziente SHG eines Halbleiterlasers

31 Erhöhung der NLO-Effizienz durch gepulstes Licht longitudinale Moden eines Lasers

32 Modenkopplung [ ω ω φ ] = n n Et () E exp i( n ) t bei fester Phase Φ n =0 und N Moden ergibt sich: n It () N t ω 2 sin ( ω / 2) 2 sin ( t / 2)

33 Modenkopplung in Femtosekundenlasern

34 XIV.5 Anwendung von gepulsten Lasern und NLO bei Laserdisplays

35 Anwendung der NLO bei Laserdisplays

36 XIV.6 NLO 3. Ordnung -NLO-Effekte 2. Ordnung nur in Materialien mit gebrochener Inversionssymmetrie Kristalle... SHG-Mikroskopie an Oberflächen -NLO-Effekte 3. Ordnung in allen Materialien möglich, z. B. auch amorphe Materialien

37 NLO 3. Ordnung: Vierwellenmischen P $ ( ω) = ε χ ( ω = ω + ω + ω ) E $ ( ω ) E $ ( ω ) E $ ( ω ) (3) (2) α 0 αβγσ m n l β m γ n σ l βγσ,, mnl,, Anwendung: Signalregeneration ( ωs = ωs + ωp ωp) und Frequenzumsetzung ( ωc = ωp + ωp ωs) in der Nachrichtentechnik

38 NLO 3. Ordnung: Selbstphasenmodulation n= n0 + n( I) ni ( ) = ni= n Eω ( ) n 1 3 (3) 2 = ε0cn0n2 = Re[ χxxxx ( ω = ω ω + ω )] 2 8n0

39 NLO 3. Ordnung: Nichtlinearer Richtkoppler Nichtlineare Richtkoppler: - Übergang des Signals von 1 auf 2 hängt ab von der Phase des Signals -NLO beeinflusst Phase und damit Übertragung der optischen Leistung von 1 auf 2

40 Nichtinstantane NLO 3. Ordnung: Ausbleichen im Halbleiter -wird ausgenutzt in SESAMs (semiconductor saturable absorber mirrors) zur Erzeugung kurzer Laserpulse

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