Optische Systeme - KIT

14.2
Inhalte der Vorlesung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Optische Systeme
Martina Gerken
04.02.2008
Grundlagen der Wellenoptik
Abbildende optische Systeme
Optische Messtechnik
Optische Materialbearbeitung
Optik in der Datenspeicherung
Mikro- und Nanooptische Systeme
6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro
6.2 BARCO: Introduction to displays
6.3 Lichtwellenleiter
6.4 Klassifizierung optischer Komponenten
6.5 Mikrooptische Systeme
6.6 Nanooptik
Universität Karlsruhe (TH)
14.3
14.4
Étendue oder „Es gibt keinen Lichttrichter!!“
•
Étendue ist Erhaltungsgröße (Lagrange-Invariante) des optischen Systems
– Äquivalent zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Entropie in einem
abgeschlossenen System nimmt niemals ab
– Oder: Es gibt kein Perpetuum mobile zweiter Art.
•
Kleinste Étendue ist System bestimmend
•
Optische Elemente können Étendue nur
erhalten oder größer machen!
•
Lichtwellenleiter
•
•
Licht durch Vielfachreflexionen an Begrenzungsflächen weitergeleitet
Z.B. zylindrische Faser
– Kernglas nK von Mantelglas nM mit niedrigerer Brechzahl umgeben
– Totalreflexion für Einfallswinkel ε0<σmax
– Grenzwinkel der Totalreflexion:
sin ε1g = nM nK
– Numerische Apertur des geraden Lichtleiters:
NA = n0 sin σ max = nK − nM
2
2
Multiplexing ist jedoch möglich über
– Wellenlänge
– Polarisation
– Zeit
Quelle: www.lumileds.com
Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik
14.5
14.6
Lichtwellenleiter
•
Fermatsches Prinzip: Schichtstapel
Konische Faser
– Konzentration des Lichtstroms auf kleinere Austrittsfläche führt zu
Aperturvergrößerung (étendue!)
– D.h. nK muss zum Ausgang hin größer werden
– Alternativ: Lichtverlust
•
Licht durchläuft von S nach P Strecke mit kleinster optischer Weglänge
m
– Definition optischer Weglänge:
∑n s
i =1
m
t=∑
i =1
i i
si 1 m
= ∑ ni si
vi c i =1
– Bei inhomogenen Medien:
P
•
t=
Gekrümmte zylindrische Faser
– Apertur verringert (D: Faserkerndurchmesser, r: Krümmungsradius)
D⎞
2
2⎛
sin σ max ≈ nK − nM ⎜1 + ⎟
⎝ 2r ⎠
1
n dl
c ∫S
2
•
Moderne Formulierung: Ein Lichtstrahl muss beim Durchgang von Punkt S
nach Punkt P eine optische Weglänge durchlaufen, die stationär in Bezug auf
Änderungen jenes Weges ist.
Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik
Quelle: E. Hecht, Optik
14.7
14.8
Gradientenoptik
•
•
•
Optische Elemente mit kontinuierlich
veränderlicher Brechzahl
– Brechzahlprofil über
Ionenaustauschprozess hergestellt
Beispiel 1: Sphärische Linse mit axialer
Gradientenoptik wirkt wie asphärische Linse
– Korrektur der sphärischen Abberation
Beispiel 2: GRIN-Linse mit radialem
Gradienten
– Je nach Linsenlänge wird Fokussierung
erreicht (selbstfokussierende Linse)
Pulspropagation in Faser
•
•
•
Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik
In Multimodefaser verschiedene Weglängen und dadurch hohe zeitliche
Dispersion (Puls läuft auseinander)
Gradientenfaser verringert Dispersion, da längere Wege bei niedrigerem
Brechungsindex
Geringste Dispersion bei Singlemode-Faser, da nur eine mögliche
Wegstrecke
Quelle: http://en.wikipedia.org
14.9
14.10
Faserbündel zur Lichtleitung
•
Bildleitfaserbündel
Mehrarmige Lichtleitbündel erlauben
Lichtverteilung bzw. Anordnung von
Beleuchtungs- und Empfangsbündeln
– Anwendung z.B. Lichtschranken für
Bahn Ba mit Marken M
•
Geordnete Faserbündel zur
Bildübertragung
– Auflösung bestimmt durch
Rasterung
•
Anwendung z.B. für Endoskop
– L: Lampe, WF: Wärmeschutzfilter,
Ob: Objektiv, Ok: Okular
Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik
Quelle: Schröder/Treiber, Technische Optik
14.11
14.12
Inhalte der Vorlesung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Grundlagen der Wellenoptik
Abbildende optische Systeme
Optische Messtechnik
Optische Materialbearbeitung
Optik in der Datenspeicherung
Mikro- und Nanooptische Systeme
6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro
6.2 BARCO: Introduction to displays
6.3 Lichtwellenleiter
6.4 Klassifizierung optischer Komponenten
6.5 Mikrooptische Systeme
6.6 Nanooptik
Makro- und Mikrooptik
•
Definition von Mikrooptik: Herstellung mit Mikrotechnologie
– Minimale Merkmalsgröße im Mikrometerbereich (Gesamtbauelement kann
größer sein)
– Meistens planare, lithographische Herstellungsverfahren
– Parallele Herstellung vieler Komponenten
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.13
14.14
Wellenleiter- und Freistrahloptiken
•
Diskrete Optik und integrierte Optik
Optische Systeme können als Wellenleiteroptiken (a) oder als
Freistrahloptiken (b) oder als Kombination (c) realisiert werden
– Anwendung bestimmt, welche Realisierung die beste ist
•
Beispiel: Direct space-to-time (DST) pulse shaper
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999;
Leaird/Shen/Weiner; LEOS Newsletter, Dezember 2000
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.15
14.16
Integrierte Optik
•
Ziel der Integrierten Optik ist es, verkleinerte optische Systeme mit hoher
Funktionalität (Lichtquellen, Wellenleiter, Strahlteiler, Intensitäts- oder
Phasen-Modulatoren, Filter, Schalter usw.) auf einem Substrat unterzubringen
– Beispiel: Direct space-to-time (DST) pulse shaper
– Komponenten nicht 1:1 übertragbar, bessere integrierte Ausführung durch
neue Komponentenzusammenstellung
Quelle: Leaird/Shen/Weiner; LEOS Newsletter, Dezember 2000
Brechung, Spiegelung, Beugung
•
Optische Funktionen können mit Hilfe von Brechung, Spiegelung oder
Beugung realisiert werden bzw. über eine Kombination
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.17
14.18
Refraktive Optiken
•
Diffraktive Optiken
Lichtlenkung durch Brechung
•
Lichtlenkung durch Beugung und Interferenz
– Funktionsweise entspricht computergeneriertem Hologramm (CGH)
– DOE wird so entworfen, dass gewünschte Lichtlenkung erreicht wird
(Holographic
optical element)
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.19
14.20
Vergleich refraktive und diffraktive Optiken
•
Refraktive Optiken
– Lichtlenkung durch Brechung
•
Diffraktive Optiken
– Lichtlenkung durch Beugung
und Interferenz
– Beispiel: Konvexlinse
– Beispiel: Beugungsgitter
– Funktioniert für breiten
Wellenlängenbereich
– Funktioniert nur für
Designwellenlänge
– Fresnel-Gleichung zentral
– Bragg-Gleichung zentral
– Hohe Abbildungsqualität
– Mehrere Funktionalitäten
können in einem DOE vereint
werden
Beispiel: Refraktive Mikrolinsen
•
Lithographische Strukturierung mit anschließendem Aufschmelzen, um
sphärische Form zu erhalten
– Leicht und klein
– Auf beliebigen
Substratmaterialien und –
formen herstellbar
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.21
14.22
Beispiel: Refraktive Mikrolinsen
•
Beispiel: Diffraktive Linsen
Eigenschaften der
Mikrolinsen durch
Herstellungsparameter
bestimmt
•
•
Fresnelsche Zonenplatte ist diffraktive Linse
Herstellung z.B. mit Elektronenstrahllithographie und anschließendem
Heißprägen
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.23
14.24
Beispiel: Fresnellinse
•
Aufnahme 20x mit Phasenkonstrast
Beispiel: Mikrolinsenarray
•
Aufnahme 4x
14.25
14.26
Beispiel: Beam Shaper
•
Beispiel: Gitter
Aufnahme 4x
•
Aufnahme 40x
14.27
14.28
Beispiel: Spot Array Generator 7 x 11
•
Aufnahme 40x
Beispiel: Spot Array Generator 8 x 8
•
Aufnahme 40x
14.29
14.30
Beispiel: Micro-Optic German
•
Inhalte der Vorlesung
Aufnahme 40x
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Grundlagen der Wellenoptik
Abbildende optische Systeme
Optische Messtechnik
Optische Materialbearbeitung
Optik in der Datenspeicherung
Mikro- und Nanooptische Systeme
6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro
6.2 BARCO: Introduction to displays
6.3 Lichtwellenleiter
6.4 Klassifizierung optischer Komponenten
6.5 Mikrooptische Systeme
6.6 Nanooptik
14.31
14.32
Herstellung mikrooptischer Systeme: Planarsystem
•
Gesamtes System wird auf einmal prozessiert
Herstellung mikrooptischer Systeme: Stapeloptik
•
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
Substrate werden
nacheinander hergestellt
und „gestapelt“
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999
14.33
14.34
Herstellung mikrooptischer Systeme: MOEMS
•
Herstellung mikrooptischer Systeme: MOEMS
Micro-opto-electro-mechanical-systems
•
MOEMS Herstellung durch
– Bulk Präparation (Z.B. tiefe Löcher und Gräben)
– Oberflächenpräparation
14.35
14.36
MOEMS Grundelemente
•
Alle optischen Grundelemente können mit MOEMS realisiert werden:
Schaltzeiten je nach Größe weniger als 1 ms
Beispiele: MOEMS
•
Selbst aufklappende Fresnel-Linse
•
Rotierender Spiegel mit Mikromotor
14.37
Beispiel: Digital Light Processing (DLP)
•
14.38
Beispiel: Mikrolinsenarray für Faserstecker
Strahlablenkung in Displays
Quelle: http://www.doc.com
14.39
Beispiel: Arrayed-Waveguide Grating (AWG)
•
•
14.40
Beispiel: Mikrospektrometer
Lichtweg von (1) nach (5) funktioniert als Wellenlängendemultiplexer, von (5)
nach (1) als Multiplexer.
– Licht aus Eingangslichtleiter (1) durchläuft Freistrahlbereich (2) und wird in
Anordnung von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge (3) eingespeist.
– Nach dem Austritt aus Wellenleitern interferieren Teilstrahlen in weiterem
Freistrahlbereich (4) so, dass in jeden Ausgangswellenleiter (5) jeweils nur
das Licht einer bestimmten Wellenlänge eintreten kann.
– Orangefarbenen Linien dienen nur der Illustration des Lichtweges.
Multiplexen von 96 Wellenlängen auf nur ca. 10 cm2 möglich!
Quelle: http://de.wikipedia.org
Quelle: www.fzk.de
14.41
14.42
Beispiel: Shack-Hartmann-Sensor
•
•
•
Beispiel: Shack-Hartmann-Sensor
Dient der Bestimmung von Wellenfronten
Einsatz in der adaptiven Optik für Teleskope
Einsatz in der Charakterisierung von Kunststoffoptiken
Quelle: http://de.wikipedia.org
Quelle: Pruss/Seifert/Osten, Optik & Photonik, S. 32, November 2006
14.43
14.44
Lab-on-a-Chip
•
•
Reagenzien in Mikrofluidikkanälen
Forschungsthema am LTI: Integration von optischem System auf gleiches
Substrat
Inhalte der Vorlesung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Grundlagen der Wellenoptik
Abbildende optische Systeme
Optische Messtechnik
Optische Materialbearbeitung
Optik in der Datenspeicherung
Mikro- und Nanooptische Systeme
6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro
6.2 BARCO: Introduction to displays
6.3 Lichtwellenleiter
6.4 Klassifizierung optischer Komponenten
6.5 Mikrooptische Systeme
6.6 Nanooptik
14.45
14.46
Nanooptik
•
Photonische Kristalle
Definition von Nanooptik: Herstellung mit Nanotechnologie
– Minimale Merkmalsgröße im Nanometerbereich (Gesamtbauelement kann
größer sein)
•
Quelle: www.nanotruck.net
Periodische Modulierung des Brechungsindex
– Periode in Größenordnung der Wellenlänge
Quelle: Joannopoulos/Meade/Winn, Photonic Crystals-Molding the Flow of Light (1995).
14.47
14.48
3D Photonische Kristalle
Bandstruktur einer inversen Siliziumopalstruktur
•
Quellen: H. Sözüer, J. Haus, R. Inguva, Phys. Rev. B 45, 13962 (1992)
J. Wijnhoven, W. Vos, Science 281, 802 (1998)
A. Blanco et al., Nature 405, 437 (2000)
Y.A. Vlasov et al., Nature 414, 289 (2001)
Äquivalent zu der Bandstruktur für Elektronen im Festkörper ergeben sich
erlaubte Bänder und Bandlücken für Photonen
Quelle: K. Busch
14.49
14.50
Beispiel: Wellenleiter und Splitter
•
•
Superprisma-Effekt
Neuartige Wellenleiter mit kleinen Krümmungsradien möglich
Neue Ansätze für integrierte Optik
Quelle: ab-initio.mit.edu
•
Quelle: K. Busch
Starke Änderung der Ausbreitungsrichtung mit Wellenlänge
– Hervorgerufen durch Nanostrukturierung nicht durch Materialdispersion
Quelle: H. Kosaka et al., Phys. Rev. B 58, R10 096-R10 099 (1998).
14.51
Photonische Kristall Faser
14.52
Photonische Kristall Faser
14.53
14.54
Super Emitter Concept
Fabrication of Optical Antennas
Au antennas & rods
II. Focused ion-beam milling
Analysis by SEM and AFM
125 nm
Scanning optical
bowtie antenna
200 nm
AFM
~5 nm
Quantum Dot
• Mehr zum Thema in der Vorlesung „Nanooptik“ im
nächsten Semester!
SEM
Quelle: H. Eisler
Quelle: H. Eisler
14.55
Fragensammlung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Was ist ein Lichtwellenleiter?
Wie ändert sich die Apertur einer Faser bei Krümmung?
Skizzieren Sie ein optisches Element, das Gradientenoptik benutzt!
Was ist ein Bildleitfaserbündel?
Skizzieren Sie den Aufbau eines Endoskops!
Was ist Mikrooptik?
Was ist integrierte Optik?
Welche Möglichkeiten gibt es, um ein fokussierendes Element zu realisieren?
Vergleichen Sie die Eigenschaften refraktiver und diffraktiver Optiken!
Skizzieren Sie eine refraktive Linse und eine diffraktive Linse!
Nennen Sie zwei Beispiele für mikrooptische Systeme!
Was ist Nanooptik?
14.56
Inhalte der Vorlesung „Optische Systeme“
1. Grundlagen der Wellenoptik
1.1 Die Helmholtz-Gleichung
1.2 Lösungen der Helmholtz-Gleichung: Ebene Wellen und Kugelwellen
1.3 Das Huygenssche Prinzip
1.4 Reflexion und Brechung an Grenzflächen
1.5 Fermatsches Prinzip
2. Abbildende optische Systeme
2.1 Fotografie
2.2 Planplatten und Reflexionsprismen
2.3 Schärfentiefe
2.4 Gaußscher Strahl
2.5 Lupe / Mikroskop
2.6 Blenden / Aperturen
2.7 Aberrationen
2.8 Bekannte Mikroskope
2.9 Strahlaufweiter
2.10 Teleskope
2.11 Optikdesign
3. Optische Messtechnik
4. Optische Materialbearbeitung
5. Optik in der Datenspeicherung
6. Mikro- und Nanooptische Systeme
14.57
14.58
Inhalte der Vorlesung „Optische Systeme“
Ziele der Vorlesung
1. Grundlagen der Wellenoptik
2. Abbildende optische Systeme
3. Optische Messtechnik
3.1 Spektroskopie
3.2 Materialcharakterisierung
3.3 Entfernungsmessung
3.4 Winkelmessung
3.5 Optische Maus
4. Optische Materialbearbeitung
4.1 Direkte Materialbearbeitung mit Lasern
4.2 Optische Lithographie
5. Optik in der Datenspeicherung
5.1 Kopierer und Laserdrucker
5.2 Einschub: Polarisationskontrolle
5.3 CD-/DVD-Spieler
5.4 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD)
5.5 Holographische Datenspeicher
6. Mikro- und Nanooptische Systeme
6.1 Herstellung optischer Komponenten von Makro bis Mikro
6.2 BARCO: Introduction to displays
6.3 Lichtwellenleiter
6.4 Klassifizierung optischer Komponenten
6.5 Mikrooptische Systeme
6.6 Nanooptik
•
Optische Grundlagen erklären können
– Was ist die Brennweite einer optischen Linse?
•
Funktionsweise eines optischen Systems beschreiben können
– Erklären Sie die Funktionsweise eines Mikroskops!
•
Gängige optische Systeme aus verschiedenen Bereichen erläutern können
– Beschreiben Sie ein modernes optisches Mikroskop!
•
Optisches System für bestimmten Zweck auslegen können
– Legen Sie ein einfaches Mikroskop mit zwei Linsen aus!
14.59
14.60
... beim Hersteller von DVD-Spielern
•
„Frau X / Herr Y, Sie sind doch Experte für optische Systeme. Wir müssen
unseren DVD-Spieler dringend mit dem neuen Speichermedium kompatibel
machen. Bitte entwickeln Sie bis heute Abend einen Aktionsplan!“
Strahlengang neu auslegen
und Abberationen minimieren
Auflösungsvermögen
begrenzt durch Beugung
Gitter auf neue
Wellenlänge anpassen
Antireflexschichten
anpassen
(Laserdiode und
Detektor austauschen)
Wellenlänge
verringern
NA des
Objektivs erhöhen
λ/4-Plättchen auf neue
Wellenlänge anpassen
Wo gibt es mehr zu optischen Systemen?
•
Licht- und Displaytechnik
– Wintersemester, 3 SWS
– Prof. U. Lemmer, Dr. K. Manz, Dipl.-Ing. K. Klinger
•
Optische Kommunikationssysteme
– Sommersemester, 3 SWS
– Prof. Dr. J. Leuthold
•
Lasermesstechnik I & II
– Wintersemester und Sommersemester, je 2 SWS
– Prof. Dr. M. Hugenschmidt
•
Optische Methoden in der Medizintechnik
– Wintersemester, 1 SWS
– Dr. sc. nat. M. Kaschke