Optik und Photonik (eBook)

Professor Bahaa E.A. Saleh promovierte 1971 an der Johns Hopkins Universität, Baltimore, Maryland, im Fach Elektrotechnik. Nach unterschiedlichen internationalen Forschungs- und Lehrtätigkeiten im In- und Ausland wechselte er 1994 an die Universität Boston als Direktor des Instituts für Elektro- und Computertechnik. Er ist Ehrenmitglied des IEEE und der Optical Society of America. Professor Saleh's Forschung umfasst die Gebiete Bildverarbeitung, optische Signalverarbeitung, statistische Optik, optische Kommunikation und Sehkraft. Professor Malvin C. Teich promovierte 1966 an der Cornell Universität in Ithaca, New York. Seit 1995 ist er als Professor für Elektro- und Computertechnik, Physik und Biomedizintechnik an der Universität Boston tätig. Professor Teich war Mitherausgeber der Zeitschrift Quantum Optics; er ist Ehrenmitglied der Optical Society of America sowie der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft. Seine Forschung umfasst u.a. die Gebiete Photonik, Quantenoptik und Bildgebung, Wavelets sowie fraktale stochastische Prozesse.

Titelseite 5
Impressum 6
Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort zur dritten Auflage 21
Vorwort zur zweiten Auflage 25
Teil I Optik 29
1 Strahlenoptik 31
1.1 Postulate der Strahlenoptik 32
1.1.1 Ausbreitung in einem homogenen Medium 33
1.2 Einfache optische Komponenten 34
1.2.1 Spiegel 34
1.2.2 Ebene Grenzflächen 36
1.2.3 Sphärische Grenzflächen und Linsen 38
1.2.4 Lichtleiter 41
1.3 Gradientenindexoptik 42
1.3.1 Die Strahlengleichung 42
1.3.2 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 43
1.3.3 Die Eikonalgleichung 46
1.4 Matrizenoptik 47
1.4.1 Die Strahltransfermatrix 47
1.4.2 Matrizen einfacher optischer Komponenten 48
1.4.3 Matrizen von hintereinander geschalteten optischen Komponenten 49
1.4.4 Periodische optische Systeme 51
2 Wellenoptik 57
2.1 Die Postulate der Wellenoptik 58
2.1.1 Die Wellengleichung 58
2.2 Monochromatische Wellen 59
2.2.1 Komplexe Darstellung und die Helmholtzgleichung 59
2.2.2 Einfache Wellen 60
2.2.3 Paraxiale Wellen 62
2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 63
2.3.1 Die Eikonalgleichung 64
2.4 Einfache optische Komponenten 64
2.4.1 Reflexion und Brechung 64
2.4.2 Durchgang durch optische Komponenten 65
2.4.3 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 69
2.5 Interferenz 70
2.5.1 Interferenz zweier Wellen 70
2.5.2 Vielwelleninterferenz 73
2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 77
2.6.1 Zeitliche und spektrale Beschreibung 77
2.6.2 Lichtschwebung 79
3 Optik von Strahlbündeln 85
3.1 Der Gaußstrahl 85
3.1.1 Die komplexe Amplitude eines Gaußstrahls 85
3.1.2 Eigenschaften von Gaußstrahlen 86
3.1.3 Die Qualität eines Strahlbündels 92
3.2 Durchgang durch optische Komponenten 92
3.2.1 Durchgang durch eine dünne Linse 92
3.2.2 Formung eines Strahlbündels 94
3.2.3 Reflexion an einem Kugelspiegel 95
3.2.4 Durchgang durch ein beliebiges optisches System 96
3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 98
3.3.1 Die komplexe Amplitude 99
3.3.2 Intensitätsverteilung 99
3.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 100
3.4.1 Laguerre-Gauß-Strahlen 100
3.4.2 Optische Wirbel 101
3.4.3 Ince-Gauß-Strahlen 101
3.5 Nichtbeugende Strahlen 102
3.5.1 Besselstrahlen 102
3.5.2 Airystrahlen 103
4 Fourieroptik 107
4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 108
4.1.1 Räumliche harmonische Funktionen und ebene Wellen 108
4.1.2 Die Übertragungsfunktion des Vakuums 113
4.1.3 Die Impulsantwortfunktion des Vakuums 115
4.1.4 Huygens-Fresnel-Prinzip 116
4.2 Die optische Fouriertransformation 116
4.2.1 Fouriertransformation im Fernfeld 116
4.2.2 Fouriertransformation mithilfe einer Linse 117
4.3 Lichtbeugung 119
4.3.1 Fraunhoferbeugung 120
4.3.2 Fresnelbeugung 122
4.3.3 Nichtbeugende Wellen 125
4.4 Bildentstehung 126
4.4.1 Strahlenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden Systems 126
4.4.2 Wellenoptische Beschreibung eines 4f-Systems 127
4.4.3 Wellenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden Systems 129
4.4.4 Abbildung im Nahfeld 132
4.5 Holographie 133
4.5.1 Die holographische Codierung 134
4.5.2 Holographie außerhalb der optischen Achse 135
4.5.3 Fouriertransformations-Holographie 136
4.5.4 Holographische Ortsfilter 137
4.5.5 Die holographische Apparatur 137
4.5.6 Volumenholographie 138
5 Elektromagnetische Optik 145
5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 146
5.1.1 Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum 146
5.1.2 Die Wellengleichung 146
5.1.3 Die maxwellschen Gleichungen in Medien 147
5.1.4 Randbedingungen 148
5.1.5 Intensität, Leistung und Energie 148
5.1.6 Impuls 148
5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 149
5.2.1 Definitionen 149
5.2.2 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 149
5.2.3 Nichtlineare, dispersive, inhomogene oder anisotrope Medien 150
5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 152
5.3.1 Die maxwellschen Gleichungen in einem Medium 153
5.3.2 Intensität und Leistung 153
5.3.3 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 153
5.3.4 Inhomogene Medien 153
5.3.5 Dispersive Medien 153
5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 154
5.4.1 Ebene, Dipol- und gaußsche elektromagnetische Wellen 154
5.4.2 Die Beziehung zwischen elektromagnetischer Optik und skalarer Wellenoptik 157
5.4.3 Vektor-Strahlbündel 158
5.5 Absorption und Dispersion 158
5.5.1 Absorption 158
5.5.2 Dispersion 160
5.5.3 Resonante Medien 162
5.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 165
5.6.1 Die bornsche Näherung 166
5.6.2 Rayleighstreuung 166
5.6.3 Miestreuung 169
5.6.4 Dämpfung in einem streuenden Medium 170
5.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 171
5.7.1 Die Gruppengeschwindigkeit 171
5.7.2 Die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit 172
6 Polarisationsoptik 179
6.1 Die Polarisation des Lichts 180
6.1.1 Die Polarisation 180
6.1.2 Die Matrixdarstellung der Polarisation 183
6.2 Reflexion und Brechung 187
6.2.1 TE-Polarisation 188
6.2.2 TM-Polarisation 189
6.3 Die Optik anisotroper Medien 191
6.3.1 Der Brechungsindex 191
6.3.2 Ausbreitung entlang einer Hauptachse 193
6.3.3 Ausbreitung entlang beliebiger Richtungen 194
6.3.4 Die Dispersionsrelation, Strahlen, Wellenfronten und Energietransport 196
6.3.5 Doppelbrechung 198
6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 200
6.4.1 Optische Aktivität 200
6.4.2 Magnetooptik: Der Faradayeffekt 202
6.5 Optik von Flüssigkristallen 203
6.5.1 Die Struktur von Flüssigkristallen 203
6.5.2 Optische Eigenschaften von verdrillten nematischen Flüssigkristallen 204
6.6 Polarisierende Bauelemente 205
6.6.1 Polarisatoren 205
6.6.2 Retarder 206
6.6.3 Polarisationsrotatoren 207
6.6.4 Nichtreziproke polarisierende Bauelemente 207
7 Optik photonischer Kristalle 213
7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 215
7.1.1 Matrixtheorie der Optik von Schichtmedien 215
7.1.2 Das Fabry-Pérot-Etalon 220
7.1.3 Das Bragggitter 222
7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 228
7.2.1 Blochmoden 229
7.2.2 Matrizenoptik periodischer Medien 231
7.2.3 Fourieroptik periodischer Medien 236
7.2.4 Grenzflächen zwischen periodischen und homogenen Medien 238
7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 239
7.3.1 Zweidimensionale photonische Kristalle 240
7.3.2 Dreidimensionale photonische Kristalle 241
8 Optik von Metallen und Metamaterialien 249
8.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 251
8.1.1 Wellenausbreitung in einfach- und doppelt-negativen Medien 252
8.1.2 Wellen an Grenzflächen zwischen DP-, EN- und DP-Medien 254
8.1.3 Hyperbolische Medien 260
8.2 Optik von Metallen: Plasmonik 262
8.2.1 Die optischen Eigenschaften von Metallen 262
8.2.2 Die Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum: Oberflächenplasmonpolaritonen 267
8.2.3 Metallische Nanokugeln: Lokalisierte Oberflächenplasmonen 269
8.2.4 Optische Antennen 272
8.3 Optik von Metamaterialien 273
8.3.1 Metamaterialien 274
8.3.2 Metaoberflächen 279
8.4 Transformationsoptik 281
8.4.1 Transformationsoptik 281
8.4.2 Tarnumhänge 283
9 Wellenleiteroptik 289
9.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 290
9.1.1 Wellenleitermoden 290
9.1.2 Ausbreitungskonstanten 291
9.1.3 Feldverteilungen 292
9.1.4 Die Zahl der Moden 293
9.1.5 Die Dispersionsrelation 293
9.1.6 Gruppengeschwindigkeiten 293
9.1.7 TM-Moden 294
9.1.8 Vielmodenfelder 295
9.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 295
9.2.1 Wellenleitermoden 296
9.2.2 Feldverteilungen 298
9.2.3 Dispersionsrelation und Gruppengeschwindigkeiten 299
9.3 Zweidimensionale Wellenleiter 301
9.3.1 Der rechteckige Spiegelwellenleiter 301
9.3.2 Der rechteckige dielektrische Wellenleiter 302
9.3.3 Die Geometrie von Kanalwellenleitern 302
9.3.4 Materialien 303
9.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 304
9.4.1 Einkopplung 304
9.4.2 Gekoppelte Wellenleiter 305
9.4.3 Wellenleiterarrays 309
9.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 310
9.5.1 Bragggitter als Wellenleiter 310
9.5.2 Bragg-Gitterwellenleiter als photonischer Kristall mit einer Defektschicht 311
9.5.3 Zweidimensionale Wellenleiter aus photonischen Kristallen 311
9.6 Plasmonische Wellenleiter 311
10 Faseroptik 317
10.1 Geführte Strahlen 318
10.1.1 Stufenindexfasern 318
10.1.2 Gradientenindexfasern 320
10.2 Geführte Wellen 321
10.2.1 Helmholtzgleichung 321
10.2.2 Stufenindexfasern 322
10.2.3 Einmodenfasern 326
10.2.4 Quasi-ebene Wellen in Stufen- und Gradientenindexfasern 328
10.2.5 Mehrkernfasern und Faserkoppler 332
10.3 Dämpfung und Dispersion 334
10.3.1 Dämpfung 334
10.3.2 Dispersion 335
10.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 342
10.4.1 Führung durch effektiven Brechungsindex 342
10.4.2 Führung durch photonische Bandlücke 343
10.4.3 Anwendungen 343
10.5 Materialien für optische Fasern 344
10.5.1 Fasern für das mittlere Infrarot 344
10.5.2 Hybrid- und Multifunktionsfasern 345
11 Resonatoroptik 349
11.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 351
11.1.1 Resonatormoden 351
11.1.2 Schief einfallende Resonatormoden 357
11.2 Kugelspiegelresonatoren 358
11.2.1 Strahleingrenzung 358
11.2.2 Gaußmoden 360
11.2.3 Resonanzfrequenzen 362
11.2.4 Hermite-Gauß-Moden 363
11.2.5 Endliche Blenden und Beugungsverluste 364
11.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 365
11.3.1 Zweidimensionale rechteckige Resonatoren 365
11.3.2 Kreisförmige Resonatoren und Flüstergaleriemoden 366
11.3.3 Dreidimensionale rechteckige Hohlraumresonatoren 367
11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 368
11.4.1 Rechteckige Mikroresonatoren 369
11.4.2 Mikrosäulen-, Mikrodisk- und Mikroringresonatoren 370
11.4.3 Mikrokugeln 371
11.4.4 Mikroresonatoren aus photonischen Kristallen 372
11.4.5 Plasmonische Resonatoren: Metallische Nanodisks und Nanokugeln 373
12 Statistische Optik 377
12.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 378
12.1.1 Optische Intensität 378
12.1.2 Zeitliche Kohärenz und Spektrum 379
12.1.3 Räumliche Kohärenz 383
12.1.4 Longitudinale Kohärenz 386
12.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 387
12.2.1 Interferenz zweier partiell kohärenter Wellen 387
12.2.2 Interferometrie und zeitliche Kohärenz 388
12.2.3 Interferometrie und räumliche Kohärenz 390
12.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 392
12.3.1 Ausbreitung von partiell kohärentem Licht 392
12.3.2 Bildentstehung mit inkohärentem Licht 393
12.3.3 Verstärkung der räumlichen Kohärenz durch Ausbreitung 395
12.4 Partielle Polarisation 398
12.4.1 Die Kohärenzmatrix 399
12.4.2 Stokesparameter und Poincarékugeldarstellung 399
12.4.3 Unpolarisiertes Licht 400
12.4.4 Polarisiertes Licht 400
13 Photonenoptik 405
13.1 Das Photon 406
13.1.1 Licht in einem Resonator 406
13.1.2 Die Energie eines Photons 407
13.1.3 Die Polarisation von Photonen 408
13.1.4 Der Ort eines Photons 410
13.1.5 Der Impuls eines Photons 411
13.1.6 Die Interferenz von Photonen 412
13.1.7 Die Zeit eines Photons 413
13.2 Photonenströme 415
13.2.1 Der Photonenstrom 415
13.2.2 Stochastische Eigenschaften des Photonenflusses 417
13.2.3 Photonenzahlstatistik 418
13.2.4 Die zufällige Aufteilung von Photonenströmen 422
13.3 Quantenzustände des Lichts 424
13.3.1 Quantentheorie des harmonischen Oszillators 424
13.3.2 Die Analogie zwischen einer optischen Mode und einem harmonischen Oszillator 425
13.3.3 Kohärente Zustände 425
13.3.4 Quadraturgequetschtes Licht 426
13.3.5 Photonenzahlgequetschtes Licht 427
13.3.6 Zweiphotonenlicht 428
Teil II Photonik 439
14 Licht und Materie 441
14.1 Energieniveaus 441
14.1.1 Atome 442
14.1.2 Ionen und dotierte Dielektrika 446
14.1.3 Moleküle 450
14.1.4 Festkörper 452
14.2 Die Besetzung von Energieniveaus 456
14.2.1 Die Boltzmannverteilung 456
14.2.2 Die Fermi-Dirac-Verteilung 457
14.3 Die Wechselwirkung von Photonen mit Atomen 458
14.3.1 Die Wechselwirkung von Einmodenlicht mit einem Atom 458
14.3.2 Spontane Emission 460
14.3.3 Induzierte Emission und Absorption 461
14.3.4 Linienverbreiterung 464
14.3.5 Verstärkte spontane Emission 467
14.3.6 Laserkühlung, Einschluss von Atomen und Atomoptik 468
14.4 Thermisches Licht 471
14.4.1 Das thermische Gleichgewicht zwischen Photonen und Atomen 471
14.4.2 Das Spektrum des schwarzen Strahlers 472
14.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 474
14.5.1 Formen der Lumineszenz 475
14.5.2 Photolumineszenz 476
14.5.3 Lichtstreuung 479
15 Laserverstärker 485
15.1 Theorie der Laserverstärkung 487
15.1.1 Gewinn und Bandbreite 487
15.1.2 Phasenverschiebung 488
15.2 Pumpen des Verstärkers 489
15.2.1 Geschwindigkeitsgleichungen 490
15.2.2 Pumpschemata 492
15.3 Verbreitete Laserverstärker 496
15.3.1 Rubin 497
15.3.2 Neodymdotiertes Glas 498
15.3.3 Erbiumdotierte Quarzglasfasern 500
15.3.4 Raman-Faserverstärker 502
15.3.5 Die Eigenschaften ausgewählter Laserübergänge 503
15.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 504
15.4.1 Der Gewinn bei Sättigung in homogen verbreiterten Medien 504
15.4.2 Gewinn bei Sättigung in inhomogen verbreiterten Medien 506
15.5 Verstärkerrauschen 508
15.5.1 Photonenstatistik nach Verstärkung 509
16 Laser 513
16.1 Theorie der Laseroszillation 514
16.1.1 Optische Verstärkung und Rückkopplung 514
16.1.2 Bedingungen für die Laseroszillation 516
16.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 518
16.2.1 Leistung 518
16.2.2 Die spektrale Verteilung 521
16.2.3 Räumliche Verteilung und Polarisation 525
16.2.4 Modenselektion 526
16.3 Bauarten von Lasern 528
16.3.1 Festkörperlaser 529
16.3.2 Faserlaser 534
16.3.3 Raman-Faserlaser 538
16.3.4 Chaotische Laser 540
16.3.5 Gas- und Farbstofflaser 541
16.3.6 Röntgen- und Freie-Elektronen-Laser 543
16.3.7 Tabelle ausgewählter Eigenschaften 551
16.4 Gepulste Laser 551
16.4.1 Methoden zur Erzeugung von Laserpulsen 553
16.4.2 Die Analyse von Einschwingvorgängen 554
16.4.3 Die Gütemodulation 556
16.4.4 Modenkopplung 559
16.4.5 Optische Frequenzkämme 563
17 Halbleiteroptik 571
17.1 Halbleiter 572
17.1.1 Energiebänder und Ladungsträger 572
17.1.2 Halbleitermaterialien 575
17.1.3 Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern 582
17.1.4 Erzeugung, Rekombination und Injektion 587
17.1.5 Halbleiterübergänge 589
17.1.6 Heteroübergänge 592
17.1.7 Quantenbeschränkte Strukturen 593
17.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 597
17.2.1 Photonenwechselwirkungen in Volumenhalbleitern 598
17.2.2 Interbandübergänge in Volumenhalbleitern 599
17.2.3 Absorption, Emission und Gewinn in Volumenhalbleitern 602
17.2.4 Photonenwechselwirkungen in quantenbeschränkten Strukturen 606
17.2.5 Quantenpunkt-Einzelphotonenemitter 607
17.2.6 Der Brechungsindex 608
18 LED und Laserdioden 613
18.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 614
18.1.1 Injektionselektrolumineszenz 614
18.1.2 Die Eigenschaften von LED 618
18.1.3 Materialien und Aufbau von Bauelementen 624
18.1.4 Siliciumphotonik 628
18.1.5 Organische LED 629
18.1.6 LED-Beleuchtungen 631
18.2 Optische Halbleiterverstärker 635
18.2.1 Gewinn und Bandbreite 636
18.2.2 Der Pumpvorgang 640
18.2.3 Heterostrukturen 641
18.2.4 Quantenschichtstrukturen 642
18.2.5 Superlumineszenzdioden 645
18.3 Laserdioden 646
18.3.1 Verstärkung, Rückkopplung und Schwingung 646
18.3.2 Leistung und Wirkungsgrad 649
18.3.3 Spektrale und räumliche Eigenschaften von Laserdioden 652
18.4 Quanteneinschlusslaser 655
18.4.1 Einfach- und Mehrfachquantenschichtlaser 656
18.4.2 Quantendraht- und Mehrfachquantendrahtlaser 659
18.4.3 Quantenpunkt- und Mehrfachquantenpunktlaser 660
18.4.4 Quantenkaskadenlaser 661
18.5 Mikroresonatorlaser 664
18.5.1 Oberflächenemitter 665
18.5.2 Mikrodisk- und Mikroringlaser 668
18.5.3 Mikroresonatorlaser aus photonischen Kristallen 669
18.6 Nanoresonatorlaser 670
19 Photodetektoren 679
19.1 Photodetektoren 680
19.1.1 Äußerer und innerer Photoeffekt 680
19.1.2 Allgemeine Eigenschaften 683
19.2 Photoleiter 688
19.2.1 Intrinsische Materialien 688
19.2.2 Dotierte Materialien 689
19.2.3 Heterostrukturen 690
19.3 Photodioden 691
19.3.1 Die pn-Photodiode 691
19.3.2 Die pin-Photodiode 693
19.3.3 Heterostrukturen 694
19.4 Lawinenphotodioden 697
19.4.1 Konventionelle Lawinenphotodioden 697
19.4.2 Dioden mit positions- und verlaufsabhängigen Parametern 703
19.4.3 Einzelphotonen- und photonenzahlauflösende Detektoren 704
19.5 Arraydetektoren 707
19.5.1 Photodetektoren 707
19.5.2 Ausleseelektronik 708
19.6 Rauschen in Photodetektoren 709
19.6.1 Photoelektronenrauschen 710
19.6.2 Gewinnrauschen 713
19.6.3 Schaltungsrauschen 718
19.6.4 Signal/Rausch-Verhältnis und Empfindlichkeit analoger Empfänger 720
19.6.5 Bitfehlerrate und Empfindlichkeit digitaler Empfänger 724
20 Akustooptik 733
20.1 Die Wechselwirkung von Licht und Schall 734
20.1.1 Braggsche Beugung 734
20.1.2 Die Theorie gekoppelter Wellen 739
20.1.3 Braggsche Beugung von Strahlen 740
20.2 Akustooptische Bauelemente 742
20.2.1 Modulatoren 743
20.2.2 Scanner 744
20.2.3 Räumliche Schalter 746
20.2.4 Filter, Frequenzschieber und Isolatoren 748
20.3 Akustooptik von anisotropen Medien 749
20.3.1 Akustische Wellen in anisotropen Materialien 749
21 Elektrooptik 755
21.1 Grundlagen der Elektrooptik 756
21.1.1 Pockels- und Kerreffekt 756
21.1.2 Elektrooptische Modulatoren und Schalter 757
21.1.3 Scanner 760
21.1.4 Richtkoppler 761
21.1.5 Räumliche Lichtmodulatoren 763
21.2 Elektrooptik anisotroper Medien 765
21.2.1 Kristalloptik: Eine kurze Wiederholung 765
21.2.2 Pockels- und Kerreffekt 765
21.2.3 Modulatoren 769
21.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 770
21.3.1 Phasenschieber und Modulatoren 770
21.3.2 Räumliche Lichtmodulatoren und Displays 774
21.4 Photorefraktivität 777
21.4.1 Vereinfachte Theorie der Photorefraktion 778
21.5 Elektroabsorption 781
22 Nichtlineare Optik 787
22.1 Nichtlineare optische Medien 788
22.1.1 Die nichtlineare Wellengleichung 790
22.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 791
22.2.1 Frequenzverdopplung und Gleichrichtung 791
22.2.2 Der elektrooptische Effekt 793
22.2.3 Dreiwellenmischung 794
22.2.4 Phasenbedingung und Abstimmungskurven 797
22.2.5 Quasi-Phasenanpassung 801
22.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 803
22.3.1 Die Erzeugung der dritten Harmonischen und der optische Kerreffekt 803
22.3.2 Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und räumliche Solitonen 804
22.3.3 Kreuzphasenmodulation 806
22.3.4 Vierwellenmischung 806
22.3.5 Optische Phasenkonjugation 808
22.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 810
22.4.1 Die Gleichungen gekoppelter Wellen 810
22.4.2 Frequenzverdopplung 812
22.4.3 Optische Frequenzkonversion 814
22.4.4 Optische parametrische Verstärkung und Oszillation 815
22.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 817
22.5.1 Vierwellenmischung 817
22.5.2 Dreiwellenmischung und Erzeugung der dritten Harmonischen 819
22.5.3 Optische Phasenkonjugation 820
22.6 Anisotrope nichtlineare Medien 822
22.6.1 Dreiwellenmischung in anisotropen nichtlinearen Medien zweiter Ordnung 823
22.7 Dispersive nichtlineare Medien 824
22.7.1 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine Integraltransformation 824
22.7.2 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine Differentialgleichung 825
23 Ultraschnelle Optik 831
23.1 Eigenschaften von Pulsen 832
23.1.1 Zeitliche und spektrale Eigenschaften 832
23.1.2 Gaußpulse und gechirpte Gaußpulse 835
23.1.3 Räumliche Eigenschaften 836
23.2 Pulsformung und Kompression 838
23.2.1 Chirpfilter 838
23.2.2 Ausführungen von Chirpfiltern 844
23.2.3 Pulskompression 847
23.2.4 Pulsformung 847
23.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 849
23.3.1 Die optische Faser als Chirpfilter 849
23.3.2 Ausbreitung eines Gaußpulses in einer optischen Faser 851
23.3.3 Diffusionsgleichung für langsam variierende Einhüllende 855
23.3.4 Analogie zwischen Dispersion und Beugung 856
23.4 Ultraschnelle lineare Optik 859
23.4.1 Strahlenoptik 859
23.4.2 Wellen- und Fourieroptik 860
23.4.3 Optik von Strahlbündeln 862
23.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 866
23.5.1 Gepulste parametrische Prozesse 866
23.5.2 Optische Solitonen 870
23.5.3 Superkontinuumslicht 876
23.5.4 Die Erzeugung höherer Harmonischer und Attosekundenoptik 878
23.6 Pulsdetektion 882
23.6.1 Die Messung der Intensität 882
23.6.2 Die Messung der spektralen Intensität 886
23.6.3 Die Messung der Phase 887
23.6.4 Messung des Spektrogramms 889
24 Optische Verbindungen und Schalter 897
24.1 Optische Verbindungen 899
24.1.1 Die Verbindungsmatrix 899
24.1.2 Nichtreziproke Verbindungen: Isolatoren und Zirkulatoren 900
24.1.3 Brechende und beugende Verbindungen im freien Raum 901
24.1.4 Wellenleiterverbindungen 903
24.1.5 Nichtreziproke optische Verbindungen 904
24.1.6 Optische Verbindungen in Mikroelektronik und Computertechnik 904
24.2 Passive optische Router 909
24.2.1 Wellenlängenbasierte Router 909
24.2.2 Polarisations-, phasen- und intensitätsbasierte Router 913
24.3 Photonische Schalter 915
24.3.1 Ausführungen von räumlichen Schaltern 915
24.3.2 Realisierungen von photonischen räumlichen Schaltern 917
24.3.3 Volloptische räumliche Schalter 923
24.3.4 Wellenlängenempfindliche Schalter 930
24.3.5 Zeitbereichsschalter 932
24.3.6 Code- oder Paketschalter 934
24.4 Photonische Logikgatter 936
24.4.1 Bistabile Systeme 936
24.4.2 Das Prinzip der optischen Bistabilität 938
24.4.3 Bistabile optische Bauelemente 940
25 Faseroptische Kommunikation 947
25.1 Faseroptische Komponenten 948
25.1.1 Optische Fasern 948
25.1.2 Quellen für optische Sender 953
25.1.3 Optische Verstärker 954
25.1.4 Detektoren für optische Empfänger 956
25.1.5 Integriert-photonische Schaltkreise 958
25.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 959
25.2.1 Entwicklungsgeschichte faseroptischer Nachrichtensysteme 960
25.2.2 Die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Systemen 963
25.2.3 Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Systeme 965
25.2.4 Kompensation und Management von Dämpfung und Dispersion 970
25.2.5 Solitonoptische Kommunikation 972
25.3 Modulation und Multiplexing 973
25.3.1 Modulation 973
25.3.2 Multiplexing 975
25.3.3 Wellenlängenmultiplexing 976
25.3.4 Raummultiplexing 978
25.4 Kohärente optische Kommunikation 980
25.4.1 Der Heterodyndetektor 981
25.4.2 Der symmetrische Homodyndetektor 982
25.4.3 Kohärente Systeme 983
25.5 Faseroptische Netze 986
25.5.1 Netztopologien und Vielfachzugriff 986
25.5.2 Wellenlängenmultiplexnetze 989
Anhang 997
Anhang A Die Fouriertransformation 997
A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 997
A.1.1 Eigenschaften der Fouriertransformation 997
A.1.2 Beispiele 998
A.2 Zeitliche und spektrale Breite 998
A.2.1 Die quadratisch gemittelte Breite 998
A.2.2 Die leistungsäquivalente Breite 1000
A.2.3 1/e-, Halbwerts- und 3-dB-Breite 1001
A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 1001
A.3.1 Eigenschaften 1002
Anhang B Lineare Systeme 1005
B.1 Eindimensionale lineare Systeme 1005
B.1.1 Lineare Systeme 1005
B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 1007
Anhang C Die Moden linearer Systeme 1009
C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 1010
C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 1010
C.2.1 Translationssymmetrie und harmonische Moden 1011
C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 1011
C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 1012
C.4.1 Die Moden des Feldes/der Welle in einem homogenen Medium mit Randbedingungen 1012
C.4.2 Moden von Feldern/Wellen in einem periodischen Medium 1013
Lösungen zu den Übungen 1015
1 Strahlenoptik 1015
2 Wellenoptik 1020
3 Optik von Strahlbündeln 1022
4 Fourieroptik 1024
5 Elektromagnetische Optik 1026
6 Polarisationsoptik 1026
7 Optik photonischer Kristalle 1027
9 Wellenleiteroptik 1027
10 Faseroptik 1028
11 Resonatoroptik 1030
12 Statistische Optik 1031
13 Photonenoptik 1032
14 Licht und Materie 1033
15 Laserverstärker 1034
16 Laser 1036
17 Halbleiteroptik 1038
18 LED und Laserdioden 1040
19 Photodetektoren 1042
20 Akustooptik 1043
21 Elektrooptik 1044
22 Nichtlineare Optik 1044
23 Ultraschnelle Optik 1048
24 Optische Verbindungen und Schalter 1048
Stichwortverzeichnis 1051
EULA 1079

Sehr schön sind auch die Kapitel über Photonenoptik, statistische Optik und Metamaterialien.
Physik in unserer Zeit, 24.09.2020