Photonik
Photonik MIW 4. Fachsemester Lübeck
Photonik MIW 4. Fachsemester Lübeck
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Lernkarten
Was bezeichnet man als Vignettierung?
Bezeichnet eine Abschattung zum Bildrand hin.
Erklären Sie den Begriff Aperturblende.
(Helligkeit)
Die physikalische Blende, die für einen Bildpunkt den Kegel des Strahbündels begrenzt.
Erklären Sie den Begriff Bildfeldblende.
(Gesichtsfeld)
Die physikalische Blende, die das Gesichtsfeld begrenzt.
Erklären Sie den Begriff Eintrittspupille.
(Helligkeit)
Bild der Aperturblende im Objektraum
Erklären Sie den Begriff Austrittspupille.
(Helligkeit)
Bild der Aperturblende im Bildraum
Erklären Sie den Begriff Eintrittsluke.
(Gesichtsfeld)
Bild der Feldblende im Objektraum
Erklären Sie den Begriff Austrittsluke?
(Gesichtsfeld)
Bild der Feldblende im Bildraum
Wie können Bildfehler korrigiert werden?
Durch verwendung mehrer Linsen verschiedener Glassorten bzw. Spiegel, evtl. auch asphärischer Flächen. Diese werden so aufeinander abgestimmt, das die gemeinsame Auswirkung aller Abbildungsfehler minimal wird.
Wie wird chromatische Aberration bei Objektiven korrigiert?
Durch Kombination von Gläsern mit verschiedener Dispersion.
(Dispersion bezeichnet die unterschiedlichen Wellenlängenbrecheigenschaften der Linse in einem Wert)
Welche einfache Linse ergibt bei einer Abbildung aus dem unendlichen die beste
Abbildungsleistung?
Bikonvexlinse(?)
Welche einfache Linse ergibt bei einer 1:1 Abbildung die beste Abbildungsleistung?
Bikonvexlinse(?)
Wie ist ein Achromat aufgebaut? Was ist seine Aufgabe?
Ein Achromat ist ein Objektiv, bei dem die Änderung der Schnittweite mit der Wellenlnge für eine Wellenänge verschwindet. Aufbau: Kronglas (Bikonvex) und Flintglas (links an Kornglas angepasst, rechts plan). Aufgabe?
Wie sieht die allgemeinste mathematische Formel für eine Welle aus?
\(\Psi = f(x-\nu t)\)
Welche Differenzialgleichung beschreibt eine Welle?
\(\frac {\partial ^2 \Psi} {\partial x^2} - \frac 1 {\nu ^2} \frac {\partial ^2 \Psi} {\partial ^2 t}= 0\)
Was ist eine harmonische Welle? Welche mathematischen Parameter beschreiben eine
harmonische Welle?
Harmonisch bedeutet: \(f(x\pm \nu t) \sim sin(x \pm \nu t)\)
Eine harmonische Schwingung ist eine Schwingung, deren Frequenz ein ganzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist.
\(\Psi = A *sin(k(x-\nu t))=A*sin(kx-\omega t)\)
A= Amplitude
\(kx-\omega t\) = Phase = \(\varphi\)
Phasengeschwindigkeit: \(\nu = \frac \omega k\)
Was erhält man, wenn man zwei harmonische Wellen addiert?
Konstruktive oder Destruktive Interferenz, für den fall das beide Wellen die gleiche Phasenlage und frequenz haben.
Wie kann eine harmonische Welle mit komplexen Zahlen beschrieben werden?
\(\Psi = cos(kx-\omega t) = Re(e^{i(kx-\omega t)})\)
\(\Psi = sin(kx-\omega t)=Re(e^{i(kx-\omega t-\frac \pi 2 )})\)
Geben Sie die Formeln für eine ebene harmonische Welle an.
\(\overrightarrow k * \overrightarrow r=(k_x * r_x+k_y*r_y+k_z*r_z)=const.\)
Math.Darstellung: \(\Psi = Re(A*e^{i(\overrightarrow k \overrightarrow r -\omega t)})\)
Geben Sie die Formeln für eine zylinderförmige und eine Kugelförmige harmonische Welle an.
\(\Psi = Re(\frac A r e^{i(kr-\omega t)})\)
Kugelförmig das ganze in 3D
Wie werden Impuls und Energie eines Photons berechnet.
Energie des Photons: \(E=h*f = \hbar \omega\)
Impuls des Photons: \(p=\frac h \lambda = \hbar k\)
Wie sind Bestrahlungsstärke und elektrische Feldstärke des Lichtes gekoppelt?
Bestrahlungsstärke: \(E= \frac {d\phi} {dA}\)
elektrische Feldstärke: \(E=cB\)
und mehr gibt es dazu weder in der Vorlesung noch auf Wikipedia
Was sind die Unterschiede zwischen radiometrischen und photometrischen Größen? In
welchem Spektralbereich gibt es diese Unterscheidung?
Photometrische Größen leiten sich aus den Radiometrischen Größen ab, indem die Empfindlichkeit des Betrachters mit einbezogen wird.
Photometrie: Spektrum des sichtbaren Lichtes
Radiometrie: Infrarot, Ultraviolett, auch Gammastrahlen
Welche Größen einer elektromagnetischen Welle im sichtbaren Spektralbereich können
gemessen werden? Wie kann diese Messung jeweils erfolgen?
- Lichtstrom (Strahlungsleistung einer Lichtquelle)
- Lichtmenge (Strahlungsenergie einer Lichtquelle)
- Lichtstärke (Lichtstrom pro Raumwingel, gemessen in großer Entfernung von der Lichtquelle, gibt an, wie intensiv eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung leuchtet)
- Beleuchtungsstärke (Lichtstrom pro beleuchteter Fläche, gibt an, wie intensiv die Fläche beleuchtet wird)
- Spezifische Lichtausstrahlung (emittierter Lichtstrom, bezogen auf die Größe der Licht abstrahlenden Fläche)
- Leuchtdichte (Lichtstärke einer Lichtquelle, bezogen auf deren projizierte Fläche (senkrecht zur Betrachtungsrichtung); diese Größe nimmt der Mensch als Helligkeit einer Licht abstrahlenden Fläche wahr)
diese Größen werden mithilfe eines Photometers bestimmt.
Was bezeichnet man als Interferenz von Wellen?
Die Überlagerung von zwei oder mehr kohärenten Lichtstrahlen.
Wo begegnen uns im Alltag Effekte der Interferenz von Licht?
- Farben in dünnen Filmen (Ölfilm auf Wasser, Seifenblasen)
- Schiillernde Farben von Vögeln und Schmetterlingen
- Newton'sche Ringe auf Dias
- Antireflexbeschichtung
- Filter
- Gitter
Was ist ein Interferometer?
Ein Interferometer ist ein technisches Gerät, das für die Feststellung von Interferenzen für Präzisionsmessungen genutzt wird.
Wie ist ein Michelson-Interferometer aufgebaut? Beschreiben Sie anschaulich und
mathematisch die Lichtverteilung am Ausgang des Interferometers.
Aufbau: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Michelson-Morley.svg
Anschauliche erklärung ist auch bei wikipedia.
\(I=I_1 +I_2+2*\sqrt {I_1*I_2}cos(2\pi\frac {2x} \lambda)\)für Messung von Strecken mit dem Michelson-Interferometer
Was ist konstruktive, was ist destruktive Interferenz?
Konstruktive Interferenz: \(I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1I_2} \)
Destruktive Interferenz: \(I=I_1+I_2-2\sqrt{I_1I_2}\)
Konstruktiv: Überlagerung zweier Wellen
Destruktiv:"Auslöschung" zweier Wellen.
Das Licht wird nicht "ausgelöscht", sondern in die Quelle zurück reflektiert.
Warum wird bei konstruktiver Interferenz die Energieerhaltung nicht verletzt, wenn sich die
Feldstärken beider Teilstrahlen addieren?
Weil die Interferenzmaxima kleiner sind?
Habe weder im Vorlesungsskript noch bei Wikipedia eine Antwort auf diese Frage gefunden.
Was ist die Voraussetzung um Interferenz zu beobachten?
- Kohärenz. Bedeutet, dass die Wellen untereinander eine zeitlich feste Phasenbeziehung aufweisen
- Polarisation
Was ist zeitliche Kohärenz? Von welchen Eigenschaften einer Lichtquelle hängt der Grad der
zeitlichen Kohärenz ab?
Das Intervall, in dem die Lichtwelle eine Sinusschwingung darstellt, ist ein Maß für die zeitliche Kohärenz.
Die Kohärenzzeit ist durch das mittlere Zeitintervall definiert, in dem die Lichtwelle in einer vorhersagbaren Weise schwingt.
Was ist räumliche Kohärenz? Von welchen Eigenschafte einer Lichtquelle hängt der Grad der
räumlichen Kohärenz ab?
Bedeutet, dass an verschiedenen Punkten der Wellenfront die Welle die gleichen Eigenschaften aufweist. (Notwendig für Doppelspaltversuche)
Wie weit die Punkte auseinander liegen die noch zur Interferenz gebracht werden können, beschreibt die räumliche Kohärenz.
Wie sind Phasen- und Gruppengeschwindigkeit definiert und was beschreiben sie?
Die Phasengeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gleicher Phasen einer monchromatischen Welle.
Die Gruppengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Hüllkurve (d.h. der Amplitudenverlauf) eines Wellenpaketes fortbewegt.
\(c_p = \frac \omega k = \frac {c_o}{n(k)}\)
\(c_g=\frac {d\omega} {dk} =\frac {d(\frac{c_o}{n(k)}k)}{dk}\)
Was beobachtet man, wenn mehr als zwei Teilstahlen kohärent interferieren?
- scharfe Beugungsspektren
- simultane Korrelation zwischen den Phasen aller Teilwellen
- paarweise räumliche Kohärenz
Die simultane Korrelation zwischen den Phasen aller Teilwellen ist notwendig, dammit die paarweise interfernzfähigen Teilstrahlen in einem gemeinsamen Beugungsmaximum auf dem Schirm zur Deckung kommen
Was bestimmt bei einem Gitter die Breite des Spektrums (Winkelaufspaltung pro
Wellenlängenintervall)? Was bestimmt die spektrale Auflösung?
Beugungswinkel (Gitterformel): \(sin(\alpha _e)+sin(\alpha _m)= \frac {m\lambda} g\)
Spektrale Auflösung: \(R=\frac \lambda {\triangle \lambda _{min}}=m*N\)
Wie unterscheidet sich die Spektralzerlegung mit einem Prisma-, einem Gitter- und einem
Fabry-Perot- Spektrometer?
Prisma: durch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechung
Gitter: durch die Wellenlängenabhängigkeit der Beugung
Fabry-Perot-Spektrometer: mittels zweier teilreflektierender Spiegel hoher Reflektivität, die miteinander einen optishen Resonator bilden. Das Transmissionsspektrum dieser Anordnung zeigt schmale Transmissions-Maxima für Wellenlängen, welche die Resonanzbedingung erfüllen, während andere Spektralbereiche in der Transmission nahezu vollständig ausgelöscht werden.
Erklären die Funktionsweise eines Fabry-Perot-Interferometers.
Das Fabry-Perot-Interferometer besteht aus zwei teilreflektierenden Spiegeln hoher Reflktivität, die miteinander einen optischen Resonator bilden. Das Transmissionsspektrum dieser Anordnung zeigt shcmale Transmissions-Maxima für Wellenlängen, welche die Resonanzbedingung erfüllen, während andere Spektralbereiche in der Transmission nahezu vollständig ausgelöscht werden. Dies geschieht durch konstruktive, bzw. destruktive Interferenz der Teilstrahlen.
Schildern Sie den Aufbau eines Gitterspektrometers.
Das Licht gelangt über optische Elemente (Linsen oder auch Lichtleiter) zu einem spaltförmigen Lichteintritt. Die Ausrichtung des Spaltes stimmt mit der Ausrichtung der Furchen/Linien des Beugungsgitters überein. Die Beugung/Interferenz erzeugt das Spektrum.
Warum kann es keinen absolut parallelen Lichtstahl geben?
Aufgrund der Beugung.
Auch hier wieder.Weder die VL noch Wikipedia hilft weiter.
Was wird in großer Entfernung hinter einem Spalt beobachtet?
Eine Verbreiterung des Strahls.
