Praktikum Photonik/Lasertechnik 1 - Cheatsheet

Einführung in die Physik des Lichts

Definition:

Einführung in die grundlegenden Konzepte und Eigenschaften des Lichts wie Wellen- und Teilchennatur.

Details:

• Lichtgeschwindigkeit: \( c = 3 \times 10^8 \text{ m/s} \) in Vakuum
• Wellenlänge (\( \lambda\)) und Frequenz (\( f \)): \( c = \lambda f \)
• Licht als elektromagnetische Welle: Wechselwirkung zwischen elektrischem und magnetischem Feld
• Photonenenergie: \( E = hf \) (mit \( h = 6.626 \times 10^{-34} \text{ Js} \))
• Brechung und Reflexion: Snell'sches Gesetz \( n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2) \)
• Interferenz und Beugung: Überlagerung und Ablenkung von Lichtwellen

Wellen-Teilchen-Dualismus

Definition:

Beschreibt das Phänomen, dass Licht und Materie Eigenschaften sowohl von Teilchen als auch von Wellen aufweisen.

Details:

• Grundlage der Quantenmechanik.
• De Broglie Hypothese: \[ \lambda = \frac{h}{p} \]
• Heisenberg'sche Unschärferelation: \[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi} \]
• Experimentelle Bestätigung: Doppelspaltexperiment.

Festkörperlaser, Gaslaser und Diodenlaser

Definition:

Verschiedene Arten von Lasertypen, die in der Photonik verwendet werden, unterscheiden sich hinsichtlich des Mediums, das die Lichtverstärkung ermöglicht.

Details:

• Festkörperlaser: Lasermedium ist ein fester Kristall oder Glas, dotiert mit Ionen. Beispiel: Nd:YAG-Laser.
• Gaslaser: Lasermedium ist ein Gas oder eine Gasgemisch, oft in einem Entladungsrohr. Beispiel: Helium-Neon-Laser.
• Diodenlaser: Halbleiterlaser, bei dem das Lasermedium eine p-n-Übergangsdiode ist. Beispiel: GaAs-Laser.

Linsensysteme und ihre Anwendungen

Definition:

Linsensysteme (Lens systems) bestehen aus mehreren Linsen, die Lichtstrahlen bündeln oder zerstreuen, um ein Bild zu formen oder optische Signale zu modifizieren.

Details:

• Linsenarten: Konvex (Sammellinse) und Konkav (Zerstreuungslinse)
• Brennweite (\f): Abstand, bei dem parallele Lichtstrahlen fokussiert werden
• Linsengleichung: \( \frac{1}{f} = \frac{1}{d_o} + \frac{1}{d_i} \) (f: Brennweite, \(d_o\): Objektabstand, \(d_i\): Bildabstand)
• Vergrößerung: \( M = \frac{d_i}{d_o} \)
• Anwendungen: Mikroskope, Teleskope, Kameras
• Aberrationen: Verzerrungen oder Unschärfen im Bild

Laserresonatoren und Modulatoren

Definition:

Laserresonatoren und Modulatoren regulieren die optische Verstärkung und die Ausgangsfrequenz eines Lasers.

Details:

• Laserresonator: Zwei Spiegel, die das Licht mehrfach reflektieren lassen, um die Verstärkung zu gewährleisten.
• Modulator: Gerät zur Steuerung der Eigenschaften des Laserstrahls (Amplitude, Frequenz, Phase).
• Formel Resonatorlänge: \( L = \frac{q \times \lambda}{2} \)
• Freie Spektralbereich (FSR): \( \text{FSR} = \frac{c}{2L} \)
• Modulationstechniken: Elektrooptisch, Akustooptisch

Optische Kohärenztomografie

Definition:

Optische Kohärenztomografie (OCT) ist ein bildgebendes Verfahren, das Kohärenz-Lichtstreuung nutzt, um hochaufgelöste Schnittbilder von Geweben zu erzeugen.

Details:

• Genutzt in Medizin, insbesondere Augenheilkunde.
• Hauptkomponenten: Breitspektrumlichtquelle, Interferometer, Detektor.
• Tiefenauflösung: Abhängig von der Kohärenzlänge der Lichtquelle.
• Punktweise Abtastung: Verschiebung der Probe oder des Referenzarms erforderlich.
• Detektionsmethoden: Time-Domain (TD-OCT), Spectral-Domain (SD-OCT), und Swept-Source (SS-OCT).

Photodetektoren und ihre Charakterisierung

Definition:

Photodetektoren wandeln Lichtsignale in elektrische Signale um. Charakterisierung umfasst Analyse von Empfindlichkeit, spektraler Reichweite und Ansprechzeit.

Details:

• Funktionsprinzip: Lichtabsorption erzeugt Ladungsträger
• Typen: Photodioden, Phototransistoren, Avalanche-Photodioden (APDs)
• Wichtigste Kenngrößen: Empfindlichkeit (\textit{responsivity}) \(R = \frac{I_{ph}}{P_{opt}}\)Dunkelstrom \(I_D\)Spektrale Reichweite
• Messmethoden: IV-Kennlinien Spektrale Messungen

Laserklassen und ihre Gefährdungspotentiale

Definition:

Laserklassen gemäß internationaler Normen klassifiziert, je nach Gefährdungspotential des Laserstrahls.

Details:

• Klasse 1: ungefährlich unter normalen Betriebsbedingungen.
• Klasse 1M: ungefährlich, außer bei Beobachtung mit optischen Hilfsmitteln (z.B. Lupe).
• Klasse 2: sichtbare Laserstrahlung, ungefährlich bei kurzzeitigem Augenkontakt (bis 0,25 s).
• Klasse 2M: wie Klasse 2, aber gefährlich bei Beobachtung mit optischen Hilfsmitteln.
• Klasse 3R: geringe Gefahr bei direktem Blick in den Strahl (bis 5 mW).
• Klasse 3B: gefährlich bei direktem Blick in den Strahl, diffuse Reflexionen meist ungefährlich (5 mW–500 mW).
• Klasse 4: sehr gefährlich, direkte und diffuse Reflexionen verursachen Augenschäden und Hautverbrennungen (> 500 mW).