Photonik 1: Fragenkatalog und Hinweise zur mündlichen Prüfung

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1 Photonik 1: Fragenkatalog und Hinweise zur mündlichen Prüfung Prof. Reider Stand: 27. August Licht als elektromagnetische Welle 1.1 (S.8) Brechungsindex(zahl) in der Optik Allgemein Warum haben manche Materialien höheren Brechnungsindex als andere? Frequenzabhängikeit? Wie sieht diese genau im Sichtbaren Bereich aus? Hat Rot oder Blau höhere Frequenz? 1.2 (S ) Polarisation(szustände) beim Licht, Jones-Formalismus, Polarisatoren 1.3 (S. 8-10) Phasen- und Gruppengeschwindigkeit Unterschied? Formeln Wellenpaket zeichnen: wo ist Gruppengeschwindigkeit, wo Phasengeschwindigkeit zu sehen? (Punkt auf Wellenpaket, wo ist er nach Durchgang durch das Medium?) Wovon hängen diese in verschiedenen Medien ab? Diagramm w(k) (bzw. k(w)) zeichnen und v ph, v gr (bzw. Gruppenlaufzeit/Phasenlaufzeit) einzeichnen. Chirp-Effekt kurz erklären 2. Ebene Wellen in Materie 2.1 Wie sieht eine ebene Welle mathematisch aus? Was ist eine Phase? 2.2 (S ) Allgemeines über Reflexion / Brechnungsindex: (S. 35) Abb 2.7, (S. 38) Abb 2.10 Unterschied zwischen R und r 1

2 Zusammenhang von E und I (quadratisch) (S. 29) Abb 2.1 (zeichnen und erklären) 2.3 (S ) Totalreflektion: Warum funktioniert sie? Was ist Wellenvektor? Feldverlauf 2.4 Anisotrope Medien, Doppelbrechnung Anhand einer Skizze erklären ausgezeichnetes Koordinatensystem (Eigenzustände/Hauptachsen) einzeichnen Jones-Matrix hinschreiben, ' diskutieren und berechnen Mit welcher Polarisierung kommt es zu keiner Änderung? (LP parallel zu Eigenzuständen) Überleitung auf elektrooptischen KDP-Kristall 2.5 (S Kapitel) Elektrooptischer Effekt Woher kommt dieser? (Kerr-Effekt/Pockels-Effekt) -Tensor Welchen dieser beiden Effekte kann es in z.b. Glas geben? 2.6 (S ) KDP - Kristall Doppelbrechung? Jones-Matrix. Bei welchen Werten von ' geschieht was? ( keine Drehung der Polarisation sondern eine Spiegelung bei ' = /2) Phasenverschiebung als Funktion von U Optische Modulation Sie haben eine Pockels-Zelle gekauft, egal bei welcher Spannung geht kein Licht durch. Was ist passiert? 3. Strahl- und Impulsausbreitung 3.1 (S.88-94) Gaußscher Strahl Allgemein, Wovon hängt der Öffnungswinkel ab? (Formel) Sammellinse Charakteristische Parameter Transformation (durch Änderung der Amplitude und der Phasenfront) Wie funktioniert eine Linse? Wie würden Sie w/z messen? 4. Interferenz optischer Felder 2

3 4.1 (S ) Interferenz und Interferometer (+ Sagnac-Interferometer, Fabry- Perot-Interferometer: v.a. (S.151) Abb. 4.15) 4.2 (S ) Resonator: Aufbau, Kugelspiegelresonator, Wie rege ich eine Gausssche Mode an? 5. Dielektrische Wellenleiter 5.1 Dieelektrischer Wellenleiter (Diagramm, Phasenverschiebung, Modenbedingung+Lsg, Modenprofil?) 5.2 (S ) Gibt s Systeme wo keine Impulsausbreitungen gibt? falls ja welche und wie? 5.3 (S ) Was ist Dispersion? 5.4 Verlust/Wellenlänge-Diagramm, woher kommt Rayleigh-Streuung? 5.5 (S ) Glasfaser: wie entsteht Totalreflexion, Moden, Brechungsindexprofil 5.6 (S ) Wellenleiterkoppler: Prinzipielle Funktionsweise 6. Wechselwirkung Licht/Materie 6.1 (S. 218) Fermi s Golden Rule mit Formeln! Wie würde Absorbtion bei waagrechtem Band aussehen? 6.2 (S ) Gewinnkoeffizient 6.3 (S ) Optische Verstärkung (2 Niveau System usw. ) 6.4 (S ) Vier-Niveau-System atomar, alle Prozesse einzeichnen, pumpen + Verstärkungskoffizient (, a. Gewinnkoeffizient) 6.5 (S ) Verstärkungsbedingung HL (S. 249)Abb 6.18 Verstärkerbedingung aufschreiben und erklären (6.117), warum können Elektronen oberhalb von Ef,c nicht zur Verstärkung beitragen? 6.6 (S. 236) Sättigung der Verstärkung hängt von welchem I ab? Warum kommt es zur Sättigung? Was ist bei I = I s? Wie hängt Verstärkung mit Verstärkungskoeffizient zusammen? 6.7 (S ) Ratengleichung(en) (auch: Bilanzgleichung) mit Formeln+Einheiten! 6.8 (S ) Verstärkungsdiagramm (W pump ),3/4NiveauLaser(mitSkizze), Teilchendichte für kritische Verstärkung berechnen Verstärkung proportional (N 2 N 1 ),warum? Übergang zum HL-Laser: Verstärkungsdiagramm (S , 236, 258 ) Definition v. Sättigunsintensität für HL und 3/4 Niveau Laser 3

4 6.9 (S ) Fermi-Verteilungen ausrechnen der Anzahl der Elektronen im Silizium, die bei Raumtemperatur im Leitungsband sind ( /cm 3 )(ausfermi-verteilungundderanzahlder Elektronen im Silizium und Gapabstand) 6.10 Halbleiter Unterschied Leitungs-/Valenzband (S ) Was ist die Zustandsdichte, wo spielt sie eine Rolle Interband- und Intrabandübergänge: Warum können Übergänge nicht überall stattfinden? Wie funktioniert optische Verstärkung im Halbleiter? Wie kann man messen? Ist ein HL durchsichtig? (S )Verstärkungsbedingung (S ) Wer bestimmt die Lage des Quasifermi Niveaus? Lichtverstärkung im Halbleiter? (S ) Wie weit muss ein HL gepumpt werden, damit er inversiv wird? (aus Elektronenverteilung ausrechnen, keine Formeln, nur ungefähre Funktionen (z.b. Fermiverteilung wird dann zu f(e,t), also wirklich nur grobe Zusammenhänge))) über Energie Grafik diskutieren: wie sieht Grafik aus, wenn ich nicht beleuchte? Welche Frequenzen (welche Farben) gehen durch/werden absorbiert? Wie würde die Grafik bei atomaren Laser aussehen? Wie schaut die Verstärkung bei t =0aus? Hat hier die Fermiverteilung was mitzureden? Kann man auch mit Metallen Laser bauen? 7. Optische Oszillatoren 7.1 (S )Laserkennlinie(Inversion 3/4 Niveau) Abb 7.4 Warum bleibt N 2 ab dem Knick konstant? Wie kann man den Knick W p,c verschieben, wie muss da der Laser umgebaut werden? Schaut Kennlinie unterschiedlich für 3/4 Niveau-Laser aus? Wie wächst die Photonenzahl zeitlich an? Was passiert bei 1-schnell einschalten? Was könnte der Grund sein, warum Ausgangskennlinie nicht ganz gerade ist? 7.2 (S ) Wirkungsgrad und Leistung bei Oszillatoren, Ausgangsleistung eines Lasers 7.3 (S. 256) Wenn man Auskoppelkoeffizient T 2 beim Laser dimensionieren soll, von welchen Parametern hängt dies ab? 4

5 7.4 (S ) Inversionsbedingung (Gewinn, Absorption, etc.) 7.5 (S ) Laseraufbau Fabry-Perot-Resonator Phasenbedingung, wo muss konstr. Interferenz auftreten? Resonanzfrequenz Formeln Wie viel Licht geht durch im Resonanzfall? 5

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