Photonik
Photonik MIW 4. Fachsemester Lübeck
Photonik MIW 4. Fachsemester Lübeck
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Lernkarten
Welche zwei Vorstellungen über das Wesen des Lichtes hatten die Menschen in der
Vergangenheit? Nennen Sie je einen prominenten Vertreter dieser Vorstellungen.
- Heinrich Hertz: Erzeugung und Detektion von elektromagnetischen Wellen
- Max Planck, Albert Einstein: Spezielle Relativitätstheorie, Quantifizierung von Licht
Skizzieren Sie kurz die Entwicklung des Verständnisses über das Wesen des Lichtes vom
Altertum bis heute.
- Newton (1642): Erklärung der Farben des Lichtes, Licht als Partikel
- Romer(1644): Berechnung der Lichtgeschwindigkeit aus der Verdunklung des Jupiter Mondes
- Huygens (1629): Licht als Wellen im Äther
- Young(1773): Prinzip der Interferenz
- Fresnel (1788): Mathematische Beschreibung der Lichtausbreitung durch Beugung und Interferenz
- Faraday (1791): Experimente zur magnetischen Induktion und Drehung der Polarisation
- Maxwell( 1831): Theorie elektromagnetischer Wellen
Was ist Licht?
- Licht ist eine elektromagnetische Welle
- Licht ist ein Partikel
-> Welle-Teilchen-Dualismus
Welche physikalischen Parameter beschreiben Licht?
- Strahlungsenergie Q [J]
- Strahlungsdichte w=dQ/dV [J/m³]
- Bestrahlung H=dQ/dA [J/m²]
- Strahlungsfluss \(\phi\)=dQ/dt [W]
- spezifische Ausstrahlung M=d\(\phi\)/dA [W/m²]
- Bestrahlungsstärke E=d\(\phi\)/dA [W/m²]
- Strahlstärke I=d\(\phi\)/d\(\Omega\) [W/sr]
- Strahldichte L=dI/dAcos(\(\Theta\)) [W/sr*m²]
Nennen Sie mindesten drei verschiedene Erscheinungsformen elektromagnetischer Strahlung.
- Radiowellen
- Mikrowellen
- Infrarot
- Sichtbares Licht
- Ultraviolett
- Röntgen
- Gamma
Welche Lichtquellen gibt es?
- Sonnenlicht
- Thermische Strahler
- Schwarzkörperstrahler
- Nernst Strahler
- Glühlampe
- Gasentladungslampe
- Niederdruck-Spektrallampen
- Hochdruckentladungslampen
- Blitzlampen
- Leuchtstofflampen
- Leuchtdioden
- Laser
- Synchronstrahlungsquellen
Über welche physikalischen Prozesse kann Licht nachgewiesen werden?
- Äußerer Photoelektrischer Effekt
- Vakuum-Photodiode
- Photomultiplier
- Innerer Photoelektrischer Effekt
- Photodiode#Phototransistor
- Photoelement
- Photodiodenzeile, CCD-Detektor
- Thermischer Effekt
- Bolometer
- Pyroelektrischer Detektor
Wie arbeiten eine Photodiode und ein Photomultiplier? Was ist der Unterschied zwischen
beiden?
- Photodiode:
- Halbleiterbauteil, bei welchem das Eintreffende Photon für einen p-n-Übergang sorgt.
- Photomultiplier:
- Ein Photon trifft auf eine Photokathode. Dabei wird ein elektron herausgeschlagen, welche auf eine Dynode trifft, wo aufgrund einer beschleunigungsspannung mehrere Elektronen herausgeschlagen werden. Diese treffen ihrereseits wieder auf eine Dynode, usw. bis eine große Menge an elektronen auf die letzte Dynode treffen, an welcher dann die Spannungsänderung gemessen wird.
Photodioden sind billig und funktionieren bei viel Licht zuverlässig (Spannungsanstieg linear zur Menge der eintreffenden Photonen), Photomultiplier sind teuer, dafür können sie die existenz eines einzelnen Photons nachweisen.
Was ist ein Halbleiter und wie kann er zum Nachweis von Licht eingesetzt werden?
Ein Halbleiterbauteil ist z.B.ein Transistor. Dieser schaltet, wenn eine Spannung Uc anliegt.
Halbleiter zum Nachweis von Licht:
- 0V Spannung an p, p-n-Übergang durch das Photon erzeugt Photonenstrom
- Negative Spannung an p, p-n-Übergang erzeugt Spannungsänderung zwischen p und n
Warum werden für Photodioden für die verschiedenen Spektralbereiche verschiedene
Halbleitermaterialien benötigt?
Da verschiedene Halbleitermaterialien für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich empfindlich sind. Außerdem müssen für einige Wellenlängen die Photodioden gekühlt werden (IR).
Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Photomultipliers.
Vorteile:
- zum Nachweis sehr Variabler Lihtintensitäten geeignet
Nachteile:
- Teuer
- Bei viel Licht ist eine Photodiode billiger, daher besser geeignet.
- Nicht jedes Photon löst ein Photoelektron aus
Wie arbeitet ein pyroelektrischer Detektor?
Das pyroelektrische Material ist ein dünner (< 40 µm) polarisierter Kristall. Um den pyroelektrischen Effekt nutzbar zu machen, müssen jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten Elektroden aufgebracht werden. Trifft Strahlung auf das pyroelektrische Material ändert sich zufolge Absorption dessen Polarisation, hervorgerufen durch den Temperaturunterschied Δ T {\displaystyle \Delta T} . Die Änderung der thermischen Strahlung ruft eine Änderung des elektrischen Potentials hervor. Mit Hilfe der aufgebrachten Elektroden kann das elektrische Signal über einen Verstärker mit hochohmigem Eingang wie einem Ladungsverstärker gemessen werden.
Erklären Sie das Prinzip eines CCD-Sensors.
CCD:
- Matrix aus Photodioden
- Ladungen werden für jede Photodiode einzeln in einem "Potentialtopf" gespeichert
- Nach der Belichtung wird seriell, also jeder Potentialtopf einzeln ausgelesen.
- Die Signale werden über einen Operationsverstärker verstärkt und können digital verarbeitet werden.
Erklären Sie das Prinzip eines CMOS-Sensors.
- Ähnlich wie CCD, nur das an die Photodioden und den Potentialtopf (Kondensator) direkt ein Transistor zur Verstärkung des Signals angeschlossen ist.
- Im CMOS-Sensor lassen sich weitere Funktionen integrieren, wie z.B. Belichtungskontrolle, Kontrastkorrektur, A-D-Wandlung
- Es lässt sich jeder Pixel einzeln auslesen ohne Ladungen verschieben zu müssen
- zu beginn der Entwicklung nahm die Elektronik die zu jedem Pixel gehörte noch viel Platz ein, deswegen anfangs nicht konkurrenzfähig zu den CCD-Sensoren
Was sind die Annahmen der geometrischen Optik?
- Licht breitet sich in Strahlen aus
- Ein Optisches Medium wird durch den Brechungsindex charakterisiert
- Das Fermatsche Prinzip fordert, dass die Zeit, die ein Strahl benötigt um von A nach B zu kommen einen Extremalwert im Vergleich zu Nachbarwegen einnimmt. (Meist Minimalwert)
Wie wird Licht in der geometrischen Optik beschrieben?
- Geradlinige Ausbreitung in homogenen Medien
- Reflexion an metallischen oder dielektrischen Oberflächen
- Brechung an dielektrischen Oberflächen
- Absorption durch Materie
Erläutern Sie das Hygensche Prinzip.
Jeder Punkt der Wellenfront ist Ausgang von Elementarwellen. Aus deren Überlagerung ergibt sich die propagierte Wellenfront.
Erläutern Sie das Fermatsche Prinzip.
Das Fermatsche Prinzip fordert, dass die Zeit, die ein Strahl benötigt, sich von Punkt A nach Punkt B auszubreiten, oder äquivalent der optische Weg zwischen A und B einen Extremwert (maximum, Minimum oder Wendepunkt)im Vergleich zu Nachbarwegen annimmt. (Meist das Minimum)
Leiten sie das Reflexionsgesetz aus dem Hygenschen Prinzip her.
Vorlesung 3, Folie 13.
In die Klausur darf man auch einen Zettel mitnehmen...
Leiten sie das Reflexionsgesetz aus dem Fermatschen Prinzip her.
Habe ich so als Folie nicht in der 3. Vorlesung Geometrische Optik gefunden.
Leiten sie das Brechungsgesetz aus dem Hygenschen Prinzip her.
Vorlesung 3, Folie 13
Auch das 1. nachschlagen, und 2. auf den Zettel schreiben
Leiten sie das Brechungsgesetz aus dem Fermatschen Prinzip her.
Vorlesung 3, Folie 26
Diese Frage ist Kandidat für den Zettel, der als Hilfsmittel in der Klausur erlaubt ist.
Was ist Totalreflexion? Wie lautet die mathematische Bedingung?
\(n_{1}*sin(\theta_{c})=n_{2}*sin(90°)\)
\(\theta_{c}=arcsin(\frac{n_{2}} {n_{1}})\)
Welche Flächen erlauben eine Abbildung ohne Abbildungsfehler?
Spiegel. Nach Maxwell, Später durch Carathedodory 1926 bewiesen. (Wikipedia)
Wie ist die Brechzahl definiert?
Die Brechzahl (oder der Brechungsindex) ist das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit C0 des Lichtes im Vakuum zur Ausbreitungsgeschwindigkeit C im Medium.
Was ist die Aufgaben eines abbildenden Systems?
Jeder Punkt eines Objektes streut einfallendes Licht. Nach dem Huygenschen Prinzip entstehen Elementarwellen.
Wenige Mikrometer vomObjekt entfernt überlagern sich diese Wellen. Die Lichtverteilung gibt die Objektstruktur nicht mehr wieder.
Um das Objekt abzubilden, müssen wir eine Möglichkeit finden alle von einem Objektpunkt ausgehenden Wellen/Strahlen in einem konfugierten Bildpunkt zusammenzuführen. Dies ist die Aufgabe einer optischen Abbildung.
Was ist die paraxiale Näherung in Optik? Welche Bedingungen sind an die Strahlen und
brechenden Flächen geknüpft?
Die Paraxiale Optik ist eine vereinfachung der Geometrischen Optik, bei der nur Lichtstrahlen betrachtet werden, die mit der optischen Achse kleine Winkel bilden und kleine Abstände von ihr haben. (wikipedia)
Gültig für kleine Krümmungsradien und dünne optische Elemente.
Der sinus wird durch den Winkel genähert (sin(a)=a)
Beschreiben Sie den Matrixformalismus zur Berechnung paraxialer Strahlengänge.
Parameter zur Beschreibung des Zustandes eines Lichtstrahls:
r=Abstand zur optischen Achse
\(\alpha\)=Winkel, den der Strahl mit der Optischen Achse einschließt
Ein optisches System wird durch eine Transfermatrix dargestellt, welche von links an den Strahlvektor anmultipliziert wird. Das ergebnis sind die Eigenschaften des Strahls nach durchlauf des optischen Systems (Spiegel oder Linsen)
\(\begin{bmatrix} A&B\\ C&D\\ \end{bmatrix} \begin{pmatrix} r_{1}\\ \alpha_{1}\\ \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} r_{2}\\ \alpha_{2}\\ \end{pmatrix}\)
übliche Konvention: Strahlrichtung von links nach rechts (positive z-Achse), r oberhalb der Achse Positiv, unterhalb Negativ. \(\alpha\)positiv, wenn Strahl nach oben zeigt und negativ von Strahl nach unten zeigt.
Nenne Sie zwei Formeln zur Berechnung der Lage des Bildes bei einer Abbildung.
Bildentstehung: \(\frac {1} {g} + \frac {1}{b}=\frac{1}{f}\)
Vergrößerung: \(m= \frac {y`} y=\frac b g \)
Wüsste nicht was er hier sonst für Formeln sehen will.
Wie kann ein beliebiger Strahl im Rahmen der paraxialen Optik durch eine Linse
verfolgt werden?
Ein beliebiger Strahl trifftseinen parallelen Zentralstrahl in der Brennebene.
Was bezeichnet man als Fokuspunkt?
Der Fokuspunkt oder Brennpunkt ist jener besondere Punkt eines abbildenden optischen Geräts, in dem sich die Strahlen schneiden, die parallel zur optischen Achse einfallen. Er befindet sich im Abstand der Brennweite auf der optischen Achse.
Was bezeichnet man als Nodalpunkt?
Der Nodalpunkt (auch Knotenpunkt) eines abbildenden optischen Systems bezeichnet die Punkte auf der optischen Achse, auf die die Lichtstrahlen, die im gleichen Winkel zur optischen Achse in das System eintreten, wie sie es auch wieder verlassen, scheinbar zulaufen (vorderer Nodalpunkt) bzw. von dem sie scheinbar ausgehen (hinterer Nodalpunkt)
Was bezeichnet man als Hauptebene?
Die Hauptebenen sind zwei in einem Abbildungssystem definierte Ebenen, in denen vereinfacht die Brechungg der Lichtstrahlen angenommen werden. Im Raum zwischen den Hauptebenen werden die Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse verlaufend gedacht.
Was ist der Unterschied zwischen Brennweite und Schnittweite?
Die Brennweite ist der Abstand zwischen der Hauptebene einer optischen Linse oder eines gewölbten Spiegels und dem Fokus (Brennpunkt)
Die Schnittweite eines Lichtstrahls ist der Abstand des Schnittpunkts von Strahl und optischer Achse zu einem Bezugspunkt. Bezugspunkt ist häufig der Scheitel (Mittelpunkt) der Fläche, an der der Strahl zuletzt gebrochen wurde.
Was bezeichnet man als „Raytracing“?
Strahlverfolgung.
Berechnung der Strahlwege mit den korrekten Brechungsgesetzen.
Was ist der Unterschied zwischen einem reellem und einem virtuellen Bild?
Das reelle Bild ist das Bild, welches tatsächlich abgebildet werden kann, da sich die Lichtstrahlen vor der Optik schneiden.
Virtuelles Bild: vom Ort des virtuellen Bildes gehen keine Lichstrahlen aus, die Strahlen scheinen aber von dem Bild her zu kommen, da unsere Wahrnehmung Lichtstrahlen als geradlinig unterstellt. Das virtuelle Bild ist "hinter" einer Optik.
Zeichnen Sie die prinzipiellen Strahlengänge für eine Kamera und ein Mikroskop auf? Wie
wird die Vergrößerung bestimmt?
Kamera: Vorlesung 5, Folie 20
- Vergrößerung: \(m=-\frac {s`}s\approx-\frac f s \) für s<<s`
- s=abstand Objekt, Linse
- s`=abstand Linse, Detektor
Mikroskop: Vorlesung 5, Folie 40
- Vergrößerung: \(M=M_E*M_O\)
- Okularvergrößerung = \(M_E=\frac L {f_E}\)
- Objektivvergrößerung = \(M_O=-\frac I {f_O}\)
- f: Brennpunkt der Objektiv/Okular-linse
Wie erfolgt das Scharfstellen auf eine Objektebene beim Auge und bei einer Kamera?
- Kamera: veränderung des Abstandes zwischen Objektiv und Detektor
- Auge: veränderung des Krümmungsradius der Linse, dadurch Veränderung der Brechkraft der Linse
Gibt es in der Näherung der paraxialen Optik Bildfehler? Wenn ja, welche sind es?
chromatische Aberation (Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird unterschiedlich stark gebrochen)
Nennen Sie die 6 wichtigsten Bildfehler und beschreiben Sie deren Auswirkung auf die
Bildentstehung.
- Spherische Aberration (auch: Öffnungsfehler)
- Schärfefehler
- achsparallel einfallende Strahlen haben nach dem System nicht mehr die gleiche Schnittweite (laufen nicht in einem Punkt zusammen)
- i.A. ist die Abweichung umso stärker, je weiter außen der Strahl verläuft
- Koma (auch: Asymmetriefehler)
- erzeugt Kometenartiges Punktbild
- nahe der optischen Achse scharfes Bild, mit zunehmendem Abstand schlechter werdend
- Astigmatismus schiefer Bündel
- Schärfefehler, welcher schräg in das Objektiv einfallende Strahlen betrifft
- bewirkt, dass entfernt von der optischen Achse radiale und tangentiale Linien in unterschiedlichen Ebenen scharf abgebildet werden
- Bildfeldwölbung
- Lagefehler
- das Bild der Optik wird nicht auf einer Ebenen, sondern auf einer gewölbten Fläche abgebildet
- Verzeichnung
- Lagefehler
- Bildhöhe (Abstand eines Bildpunktes von der Bildmitte) auf nichtlineare Weise von der Höhe des entsprechenden Objektpunktes abhängt
- Chromatische Aberration (Farbfehler)
- Farbwiedergabe der Linse ist fehlerhaft
- Brechzahl eines jeden Materials hängt in nichtlinearer Weise von der Wellenlänge ab
