HANDOUT. Vorlesung: Glasanwendungen. Gläser mit angepasstem Brechungsindex

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Glasanwendungen Gläser mit angepasstem Brechungsindex Leitsatz: und In the past few years, new developments in structured electromagnetic materials have given rise to negative refractive index materials which have both negative dielectric permittivity and negative magnetic permeability in some frequency ranges. The idea of a negative refractive index opens up new conceptual frontiers in photonics. One much-debated example is the concept of a perfect lens that enables imaging with sub-wavelength image resolution." Quelle: S. A. Ramakrishna, Rep. Prog. Phys. 68 (2005)

2 Glasanwendungen Gläser mit angepasstem Brechungsindex Ziele Eigenschaften ausgewählter Spezialgläser mit angepasstem Brechungsinddex begründen und anwenden können. Gradientenoptiken mechanistisch begründen können Grundlagen der Lichtleitfasertechnologie herleiten können Grundlegende optische Eigenschaften von Metamaterialien herleiten können Inhalte Gradientenoptik GRIN-Linsen, Brechzahlprofil, Herstellung, Eigenschaften Lichtleitfasern (Fibre Optics) - Grundlagen Faserherstellung, Dämpfung, Arten optischer Faser Materialien mit negativem Brechungsindex Charakteristika, grundlegende Strukturen, Superlinsen

3 Lerntfafel 1 Gradientenoptik Links Gradientenindexlinse mit radialem Gradient, rechts konventionelle sphärische Linse [B. Messerschmidt, Gradientenoptik - eine innovative Mikrooptik fu r die Optoelektronik und die medizinische Bilderfassung, Photonik, 6(2003), 54-57] GRIN-Zylinderlinsen (oben links), GRIN-Stablinsen, (oben rechts, unten) [B. Messerschmidt, Gradientenoptik - eine innovative Mikrooptik fu r die Optoelektronik und die medizinische Bilderfassung, Photonik, 6(2003), 54-57]

4 Brechzahlprofilform und Brechzahlunterschied [B. Messerschmidt, Gradientenoptik - eine innovative Mikrooptik fu r die Optoelektronik und die medizinische Bilderfassung, Photonik, 6(2003), 54-57] Herstellung von GRIN-Zylinder- und Stablinsen [B. Messerschmidt, Gradientenoptik - eine innovative Mikrooptik fu r die Optoelektronik und die medizinische Bilderfassung, Photonik, 6(2003), 54-57]

5 Lerntfafel 2 Lichtleitfasern (Fibre Optics) - Grundlagen Weltmarkt Optische Technologien [Christian Brecher, Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer, Springer, Heidelberg, 2011, ISBN: , S. 914] Weltmarkt Optische Technologien Quelle: Branchenreport Photonik 2013 / Optech Consulting, Studie Photonik 2013 Lichtleitfaser für die optische Datenübertragung

6 Herstellung einer SiO2-Preform zur Fasererzeugung. [GlAn-1, S.78] Herstellung von Lichtleitfasern: Gasphasenverfahren Abnahme der Transmission für verschiedene Materialien

7 Typische spektrale Transmissionsverläufe von PMMA Lichtwellenleiter. Die Daten stammen von GRIN-Fasern. PF steht für perfluorierte Materialien. [GlAn-13, S. 84] Absorptionsverluste in Lichtleitfasern Berechnete Verluste von IR-Fasern verschiedener Materialien im Vergleich zu SiO2. [GlAn-13, S. 81]

8 Historische Entwicklung der Absorptionsverluste in Gläsern. Derzeit werden SiO2-Glasfasern routinemäßig hergestellt mit Dämpfungsverlusten von weniger als 0.2 db km -1. [GlAn-1, S. 80] Arten optischer Faser: (a) stepped-index Faser; (b) GRIN Faser; (c) Monomod-Faser. [GlAn-1, S. 84]

9 Lerntfafel 3 Materialien mit negativem Brechungsindex Charakteristik von Metamaterialien im ε-µ-raum(links) und schematische Darstellung der negativen Brechung an einer Grenzfläche zwischen positiv und negativ brechendem Material. verlaufen [Quelle: Y. Liu, X Zhang, Metamaterials: a new frontier of science and technology. Chem. Soc. Rev. 40(2011), ] Grundlegende Strukturen von Metamaterialien mit spezifischen elektr. und magnet. Eigenschaften. (a) Schematische Darstellung periodischer Drähte mit Radius r angeordnet in einem einfachen kubischen Gitter der Gitterkonstante d. (b) Effektive Permittivität der Drahtstruktur als Metalle mit einer extrem niedrigen Plasmafrequenz. (c) Schematische Darstellung von Klemmringresonatoren mit äußerem Radius r und Distanzlänge s zwischen zwei Ringen. Ein Magnetfeld, das die Resonatoren durchdringt, induziert einen Stromfluss (j) und somit ein magnetisches Moment (m). (d) Effektive Permeabilität der Klimmringresonatoren im Bereich der Resonanzfrequenz. [Quelle: Y. Liu, X Zhang, Metamaterials: a new frontier of science and technology. Chem. Soc. Rev. 40(2011), ]

10 Schematisch Darstellung eines Metamaterials bestehend aus Paaren metallischer Klemmringe befestigt an Cu-Drähten zur Bildung einer kristallähnlichen Struktur mit negativem Brechungsindex für Wellenlängen im Bereich des Abstandes der Klemmringe [GlAn-1, S. 86] Anordnung von Silberschichten getrennt durch Isolatorschichten als Metamaterial mit negativem Brechungsindex (oben) und Metamaterial von oben als Netzstruktur [GlAn-1, S. 86] Brechungsgesetz von Snellius für ein positiv brechendes Material (a) und für ein negativ brechendes Material (b). Schematische Darstellung der Bilderzeugung mit einem NIM-Stab (c). Amplitude einer evaneszenten Welle in einem NIM. [GlAn-1, S.

11 88] Vergrößerungslinse (Superlinse) bestehend aus zylindrischen Schichten von Al2O3 und Ag (schematisch). Das Objekt ist in eine Cr-Schicht eingebunden und das Bild wird mit einem Mikroskop aufgenommen. [GlAn - 1, S. 88] Aufnahme zur Dokumentation der unteren Brechungsgrenze einer Superlinse. [GlAn-1, S. 89]