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Physik PHB3/4 (Schwingungen, Wellen, Optik)
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9 Neuartige Techniken in der Optik
Mit dem Laser, den Technologien der Halbleiterherstellung und der Entwicklung leistungsfähiger
Rechner sind in den letzten Jahren die technischen Vorrausetzungen für eine Reihe von neuen
optischen Anwendungen geschaffen worden.
Laser
Digitale Signalverarbeitung
technische Vorrausetzungen für „neue“ optische Technologien
HL-Technologie
Erfolgt die Verbindung verschiedener Techniken im mikroskopischen Maßstab, spricht man von
Mikromechanik
Mikroelektronik
Mikrosystemtechnik
Mikrooptik
Wichtige Gebiete neuer optischer Technologien:
Mikroskopie:
Optische Nahfeldmikroskopie (Mikromechanik, Mikrooptik)
Konfokale Mikroskopie (Mikromechanik, Mikrooptik, Bildverarbeitung)
Aktive Optik:
Mit Hilfe von mikromechanischen Stellelementen, wird die Oberfläche
von Spiegeln definiert „verformt“.
Adaptive Optik:
Änderung (Korrektur) der Phasenfronten mit Mitteln der aktiven Optik
(Oberfläche von Spiegeln wird lokal verformt).
Diffraktive Optik: Ablenkung und Fokussierung (Abbildung) mit optischen Elementen, die
auf der Beugung beruhen (im Gegensatz zur sog. refraktiven Optik).
Holographie:
“Photographie“, bei der auch die Phaseninformation gespeichert wird,
um z.B. dreidimensionale Bilder zu erzeugen.
Fourieroptik:
Die optische Abbildung wird als Fouriertransformation behandelt.
Damit lassen sich Bilder im Frequenzraum analysieren und manipulieren
(optische Filterung, Mustererkennung).
Integrierte Optik: Techniken der Halbleiterfertigung werden benutzt, um Licht in
mikroskopischen Strukturen zu leiten (waveguide), zu verteilen,
umzulenken (schalten) oder zu modulieren.
Im folgenden werden ein paar ausgewählte Technologien erläutert.
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9.1 Konfokale Mikroskopie
Problem: Beim klassischen Durchlichtmikroskop wird das Bild aus der Objektebene
auch von Streulicht aus tieferen und höheren Objektschichten aufgehellt.
Detektor
Okular
Bildebene
konfokales
Mikroskop
Blende B
Laser
Objektiv
Objektebene
Prinzip des konfokalen Mikroskops:
Sequentielle Aufnahme von Bildpunkten (Abtasten) mit extrem hoher Tiefenschärfe.
Das Licht einer Lichtquelle (meist Laser wegen der notwendigen hohen Lichtintensität) wird in die
Ebene des zu untersuchenden Objektes fokussiert. Das zurückgestreute Licht wird auf die Blende B
vor dem Detektor abgebildet und vom Detektor registriert. Dabei wird nur Licht aus der Objektebene
auf die Blende fokussiert. Zurückgestreutes Licht aus tieferen und höheren Schichten wird abgeblockt.
Lateral ist die Auflösung durch den Blendendurchmesser gegeben (subµm).
Realisierungen:
a) Abtasten (Scannen) des Objektes auf einem xy - Verschiebetisch.
Verschiebungen im subµm-Bereich werden mit piezoelektrisch gesteuerten Aktoren erreicht.
b) Scannen des Laserstrahles
c) Beleuchtung mit Lochmaske und
Detektor
CCD-Kamerea als Detektor.
CCD-Kamera
(siehe nebenstehende Prinzipskizze)
Das Lochmuster, das mit der Lochmaske
auf das Objekt projiziert wird entspricht
genau dem Muster der lichtempfindlichem
Pixel der CCD-Kamera.
Die Pixelgröße entspricht der Blendengröße.
Beleuchtung
Anwendung:
Untersuchung von Oberflächen und Oberflächenstrukturen
Moleküle auf Oberflächen
Fluoreszenzmikroskopie von Zellgewebe in der Biologie
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9.2 Diffraktive Optik
Ablenkung und Fokussierung von Licht geschieht in der konventionellen Optik mit
refraktiven Elementen (Prisma, Linse), die die Brechung an einer Grenzfläche ausnutzen.
Mit neuartigen optischen Bauelementen, die auf der Beugung beruhen, lassen sich ebenso
Strahlen ablenken und fokussieren und zu abbildenden Systemen zusammenbauen.
Bedingung:
Der Gangunterschied
zwischen je zwei
Strahlen ist im Fokus
=
Refraktive
Strahlablenkung mit Prisma
Diffraktive
Fokussierung mit Gitter
Beispiel: Phasengitter
Die Skizze zeigt eine Glasplatte mit streifenförmig eingeätzten Rechteckrinnen (Phasengitter).
Bedingung für Verstärkung der einzelnen
Teilwellen in Richtung des Winkels :
Der Gangunterschied zwischen zwei benachbarten geradzahligen oder ungeradzahligen
Wellen muss ein Vielfaches von  sein.
  d sin   m1 m1 = 0,1,2, ...
1
2
3
d/2
Damit die geradzahligen Wellen insgesamt mit
den ungeradzahligen Wellen konstruktiv
interferieren (z.B. Strahl 2 und 3), muss gelten:
d
4

d
sin   x
2
d
 23  x(n  1)  sin   m2
2

 23  xn 
n
Durch Subtraktion ergibt sich (beide Forderungen
sind dann erfüllt):
d
sin   x(n  1)  (m1  m2 )
2
x
(m1  m2 ) ganzzahlig
Beispiel: d = 2 m; x = 1 m; n = 1,6;  = 0,8 µm
(m1  m2 )  0 : für die Richtung konstruktiver Interferenz ergibt sich:
sin  0 
2 x ( n1)

d
sin  
21µm(1,61)
 0,6 
2 µm
=
Der Winkel ist unabhängig von der Wellenlänge !
(m1  m2 )  1
für die Richtungen konstruktiver Interferenz ergibt sich:
2 x( n1)2 21µm(1,61)20,8µm
(m1  m2 )  1 : sin  1 

 0,20
d
2 µm
2 x ( n1) 2 21µm(1,61) 20,8µm
(m1  m2 )  1 : sin  1 

 1,4
d
2 µm
Es treten nur Ordnungen für m = 0, -1, -2 auf..
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9.3 Impulskompression von Laserimpulsen
Das Prinzip der Impulskompression wurde bereits um 1950 in der Radartechnik entwickelt.
In den letzten Jahren konnte es auch auf kurze Laserimpulse angewendet werden.
Prinzip: Ein sog. Chirped Laserimpulse wird durch eine Anordnung aus zwei gleichen
Gittern verkürzt.
t = to
blau
grün
rot
t = to + t‘
blau
verkürzter
Impuls
grün
rot
Ein Laserimpuls, dessen Frequenz zu früheren Zeiten kleiner ist, als zu späteren Zeiten, wird
aufgrund der unterschiedlichen frequenzabhängigen Laufzeiten verkürzt.
E ( x0 , t )  E0 cos(2ft )  f (t )  f 0  at
für t0  t  t1
E ( x0 , t )  E0 cos(2f 0t  at 2 )
wegen:
   dt   2fdt   2 ( f 0  t )dt )
E(t)
t
t0
t1