Optische Systeme - KIT
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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
