Photonik 1 - Cheatsheet

Wellen-Teilchen-Dualismus

Definition:

Basiskonzept in der Quantenmechanik: Licht und Materie zeigen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften.

Details:

• De-Broglie-Hypothese: \(\lambda = \frac{h}{p}\), wobei \(\lambda\) die Wellenlänge, \(h\) das Plancksche Wirkungsquantum und \(p\) der Impuls ist.
• Heisenbergsche Unschärferelation: \(\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}\).
• Photoelektrischer Effekt: Licht als Teilchen (Photonen) interactiert mit Elektronen.
• Beugung und Interferenz: Licht als Welle zeigt Überlagerungseffekte.

Grundlagen der Quantenoptik

Definition:

Grundbegriffe und -prinzipien der Quantenoptik.

Details:

• Photon: Lichtquant, Elementarteilchen des Lichts
• Wellen-Teilchen-Dualismus: Photonen zeigen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften
• Quantenzustand: Zustand eines Quantensystems, beschrieben durch Wellenfunktion \( \psi \)
• Superposition: Überlagerung mehrerer Zustände
• Unscharferelation: \[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \] - Ort und Impuls nicht gleichzeitig exakt bestimmbar
• Verschränkung: Quantenmechanische Verbindung von Teilchenzuständen über große Distanzen
• Laser: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung

Optische Materialien und ihre Eigenschaften

Definition:

Verschiedene Materialien, die Licht auf spezifische Weise reflektieren, brechen oder absorbieren.

Details:

• Brechungsindex ( n ): Beschreibt, wie stark Licht im Material gebrochen wird.
• Absorption: Maß für die Lichtdämpfung im Material.
• Dispersionsvermögen: Variation des Brechungsindex mit der Wellenlänge.
• Birefringence: Material zeigt unterschiedliche Brechungsindizes abhängig von der Polarisationsrichtung des Lichts.
• Fluoreszenz und Phosphoreszenz: Fähigkeit, Licht nach Absorption zu emittieren.

Grundprinzipien der Laseroperation

Definition:

Grundlagen der Lasertechnologie in medizinischen Eingriffen. Wichtig: Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Gewebe.

Details:

• Absorption und Streuung im Gewebe
• Laserleistung und -wellenlänge
• Thermische und nicht-thermische Effekte
• Spotgröße und Einwirkzeit
• \textbf{Gleichung für Energiedichte:} \(E = \frac{P \times t}{A}\)
• Sicherheitsaspekte und Grenzwerte
• Vorteile: Präzision, Minimalinvasivität

Zweit- und Drittordnungseffekte in der nichtlinearen Optik

Definition:

Nichtlineare optische Effekte, die bei der Wechselwirkung von Licht mit einem Material auftreten und zu neuen Frequenzen führen.

Details:

• Zweite Ordnung (χ^(2)): Summe- und Differenzfrequenz, Frequenzverdopplung (SHG)
• Dritte Ordnung (χ^(3)): Kerr-Effekt, Four-Wave-Mixing (FWM), Raman-Streuung
• Mathematische Darstellung: \( P^{(2)} = \epsilon_0 \chi^{(2)} E^2 \), \( P^{(3)} = \epsilon_0 \chi^{(3)} E^3 \)
• Bedingungen: χ^(2)-Effekte nur in nicht-zentrosymmetrischen Medien, χ^(3)-Effekte in allen Medien

Beugung und Interferenzmuster

Definition:

Beugung tritt auf, wenn Wellen auf ein Hindernis stoßen und dieses umgehen. Interferenzmuster entstehen durch die Überlagerung von Wellen, die konstruktiv oder destruktiv interferieren.

Details:

• Huygenssches Prinzip: Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt sekundärer kugelförmiger Wellen betrachtet werden.
• Beugung am Einzelspalt: Intensitätsverteilung wird durch das Fraunhofer-Beugungsmuster beschrieben.
• Gittergleichung: \[d \sin(\theta) = n\lambda \] mit \(d\) als Gitterkonstante, \(\theta\) als Beugungswinkel, \(n\) als Beugungsordnung und \(\lambda\) als Wellenlänge.
• Youngsches Doppelspaltexperiment: Interferenzmuster mit Maxima und Minima, Abstand \( \Delta y \) der Maxima: \[ \Delta y = \frac{\lambda \ L}{d} \] mit \(L\) als Abstand zur Beobachtungsebene und \(d\) als Spaltabstand.
• Für konstruktive Interferenz: \[\Delta s = n \lambda \] Für destruktive Interferenz: \[\Delta s = (n + \frac{1}{2}) \lambda \]

Modulationstechniken in der optischen Kommunikation

Definition:

Verfahren zur Anpassung eines optischen Signals an die Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals.

Details:

• Amplitudenmodulation (ASK): Signalmodulation durch Veränderung der Amplitude des Trägers.
• Phasenmodulation (PSK): Änderung der Phase des Trägersignals.
• Frequenzmodulation (FSK): Modulation durch Änderung der Trägerfrequenz.
• Quadraturamplitudenmodulation (QAM): Kombination aus ASK und PSK zur Erhöhung der Datenrate.
• Vorteile: Höhere Datenraten, besserer Umgang mit Interferenzen, effiziente Nutzung der Bandbreite.
• Nachteile: Höhere Komplexität, empfindlicher gegenüber Störungen.

Holographie und optische Speichertypen

Definition:

Holographie: Technik zur Speicherung und Rekonstruktion dreidimensionaler Bilder durch Interferenzmuster. Optische Speichertypen: Medien zur Speicherung von Daten mittels Licht, wie CDs, DVDs und Blu-rays.

Details:

• Holographie nutzt kohärentes Licht (Laser).
• Interferenzmuster: Überlagerung zweier Lichtwellenfronten.
• Speicherung: Hologramm wird in lichtempfindlicher Schicht fixiert.
• Rekonstruktion: Beleuchtung des Hologramms mit Referenzstrahl.
• Optische Speicher: nutzen reflektierendes und absorbierendes Material.
• Typen:
  • CD: 700 MB Kapazität, 780 nm Wellenlänge.
  • DVD: 4,7 GB Kapazität, 650 nm Wellenlänge.
  • Blu-ray: 25 GB Kapazität, 405 nm Wellenlänge.
• Vorteile: hohe Speicherdichte, lange Haltbarkeit.