AgO

Wahlfach Angewandte Optik
Wahlfach Angewandte Optik
Angewandte Optik
Ziel und Aufbau des Wahlfaches
Ziel des Wahlfaches

Physikalischen Grundlagen zum Verständnis moderner Zweige der
angewandten Optik

Vermittlung experimenteller Fähigkeiten in drei angewandten
Vertiefungsrichtungen, Praktikum, Projektarbeiten, Diplomarbeiten
Inhaltlicher Aufbau
Grundlagenteil, 10 Wochen
Vertiefungsrichtung I:
Vertiefungsrichtung II:
Vertiefungsrichtung III:
Optische
Biosensorik
Faseroptische
Sensorik und
Messtechnik
Materialbearbeitung
mit Hochleistungslasern
Vertiefung I: Optische Biosensoren
Inhalt der Vertiefung in Biosensoren, Messtechnik

Übersicht: Optik aus dem Gesichtspunkt der Biosensorik und der
Messtechnik

Messprinzipien: Refraktometrie, Absorption, Lumineszenz,
Interferenz, Streuung

Messtechnik: Integrierte Optik (Wellenleiter), Plasmonenresonanz,
Holographie, Lebensdauer von Zuständen, Signalkorrelationen,
Mustererkennung

Anwendungen: medizinische Diagnostik, Qualitätskontrolle,
Überwachung
Sensoren
Elemente eines Sensors
Was wird gemessen?
 Antikörper „fängt“ Fremdkörper
 DNS bildet Doppelstrang
 Krebszellen streuen Licht
 Strömungsprofile
Umweltparameter
"Filter"+ "Umwandler"
Temperatur
Konzentrationen
SENSOR
 Verformungen unter Last
 Distanzen
.......
Ausgangssignal
Zeigerposition
 Temperaturen
Intensität,.......
 ……….
Weshalb mit Optik ?
Optische Messgrössen
 Kleinste Dimensionen (<Nanometer)
 Intensitäten
 Hochempfindlich (einzelne Moleküle)
 Phasen (Lage von Mustern)
Zugänglichkeit („kontaktlos“)
 Koppelwinkel
Polarisation, Polarisationsgrad
Wellenleiter
Signalerzeugung:
Polarisationsinterferometer:


Wellenleiter
 Wellenleiter beschränkt räumliche Beleuchtung
 Wechselwirkung ist polarisationsabhängig
 optisches Signal: Phasendifferenz der Polarisationen
Interferenzmuster
Signalverarbeitung
1.3 mm
l =170 mm
I(u)
l WP
u
PL
4.2 mm
F
BL
D
S
Wellenleiter
Wollaston
prism
(= 1 °)
CCD
u
polarizer
(45 °)
Lage des Interferenzmusters
= Mass für Phasendifferenz
Vertiefung II: Faser-Sensorik
Inhalt der Vertiefung in Faser-Sensorik

Übersicht: Optik für technische Sensorik sowie Mess- und Regeltechnik

Prinzipien optischer Messwandler: Grundelement: Faser-Wellenleiter,
Sagnac-Effekt, Lumineszenz, Kurz-Kohärenz-Optik, optischer DopplerEffekt, Absorption, Faraday-Effekt, Reflexion, diffuse Streuung

Sensor-Komponenten: Laser, Richtkoppler, Modulatoren, Multiplexer,
Polarisatoren, optische Isolatoren, Fotodetektoren, Mikrooptik,
integrierte Optik, Optoelektronik, DSV

Bereiche der Photonik: a) Fasersensorik, b) optische Messtechnik,
c) techn. Aspekte der optischen Signalverarbeitung

Anwendungen: Medizinaltechnik, GPS, Ortungs-, Positionierungssysteme, Kontrolle von Prozessabläufen
Faser-Sensor
Typischer Aufbau eines Faser-Sensor-Systems
Typische Messgrössen
Prinzip Faser-Sensor
 Seismik, Schalldruckschwankungen
 Magnetfelder
 Elektrische Felder
 Rotation, Drehraten
 Umgebungseinfluss, phys. Messgrösse
p, T, B, v …
 Vibrationen
 Messwandler
 thermo-optisch
 spannungs-optisch
 magneto-optisch
 gyro-optisch …
 Flüssigkeitsströme, Geschwindigkeiten
 Faraday-Strommessung
 Druck, Spannung
 Signal
 Optoelektronik
 DSV
X
X


 Temperatur …
Beispiel eines physikalischen Messwandler-Prinzips
Kreisel-Interferometer
Rotation
Sagnac-Effekt
Rotation 
optischen Wegdifferenz
zwischen zwei Wellenzügen.
Optische Wegdifferenz  Phasenverschiebung im Interferogramm, Relativitätstheorie
 Links: Faserschleife in Ruhelage
 Beide Wellenzüge gleicher Weg
 Rechts: rotierende Faserschleife
 Opt. Wegdifferenz zw. rot und blau
 Interferogramm aus: V.Vali and R.W.Shorthill, Appl. Opt. 15,1099ff, (1976)
 Dies ist die erste Publikation eines
Faser-Gyroskops. Jahr 1976!
Optische Komponenten eines Messwandlers
Kreisel-Interferometer
Realisierter Geräteaufbau, opt. Komponenten
Optoel.+DSV
Lock-In-Verstärker
Elektronische Komponenten eines Messwandlers
Kreisel-Interferometer
Schematischer Aufbau des Gerätes mit Optoelektr. und DSV
Beispiel für Komponenten von Sensor-Arrays
Beispiel: Gitterdemultiplexer
Prinzip und Funktionsweise
 Reflexions-Beugungsgitter
 GRIN-Linse führt Strahlen auf Ausgangsfasern
 Licht einer bestimmten Wellenlänge
 Nebensprechen
 Konstruktive Interferenz in best. Richtung
 Gitterauflösung
 2 unterschiedliche Trägerwellenlängen
 Vielkanal-Multiplexer
weisen Interferenzmaxima in verschiedenen
Richtungen auf
Laborversuche
Experimentieren im Labor
Vertiefung III: Materialbearbeitung
Inhalt der Vertiefung in Materialbearbeitung

Laserstahlung: Moden, Strahlausbreitung, Strahlqualität

Lasertypen: Lasersysteme und Betriebsarten

Materialbearbeitungsprozesse:
a)
b)
c)
d)
e)
Trennen
Fügen
Wärmebehandlung
Markieren
Strukturieren

Laborbesuch: Besuch mit Experimenten am IALT (Institut für
angewandte Lasertechnologie) der HTI Burgdorf
Wahlfach Angewandte Optik
Trennen mit Laser