Vorwort zur dritten Auflage

Seit der Veröffentlichung der zweiten Auflage im Jahr 2007 haben die Fundamentals of Photonics ihren weltweiten Stellenwert als modernes und in sich abgeschlossenes einführendes Lehrbuch mit einer ausgewogenen Mischung aus Theorie und Anwendungen behauptet. Das Buch wurde mehrfach nachgedruckt und ins Deutsche, Chinesische, Tschechische und Japanische übersetzt. Die vorliegende dritte Auflage berücksichtigt zahlreiche wissenschaftliche und technische Entwicklungen der vergangenen zehn Jahre.

Optik und Photonik

Bevor sich der Begriff Photonik durchgesetzt hatte – in etwa zeitgleich mit der Veröffentlichung der ersten Auflage der Fundamentals of Photonics im Jahr 1991 – waren zahlreiche, nicht immer klar voneinander abgegrenzte Begriffe wie beispielsweise Quantenelektronik, Optoelektronik, Elektrooptik oder Lichtwellentechnik in Verwendung. Obwohl es keine klare Übereinkunft über die genaue Bedeutung der verschiedenen Begriffe gab, existierte doch ein weitgehender Konsens hinsichtlich ihrer Benutzung. Viele dieser Begriffe sind inzwischen wieder aus dem Sprachgebrauch verschwunden, doch einige leben in den Titeln wissenschaftlicher Zeitschriften, Institute und Lehrveranstaltungen fort.

Nach nunmehr über 25 Jahren haben sich die Termini Optik und Photonik sowohl einzeln als auch in der Kombination Optik und Photonik durchgesetzt. Die Unterscheidung bleibt jedoch etwas vage, und es gibt vielfach Überlappungen zwischen beiden. Dennoch haben wir uns entschieden, die ersten 13 Kapitel dieses Buches unter Optik zusammenzufassen und die folgenden 12 Kapitel unter Photonik. Grob gesagt verstehen wir unter Optik die freie und geführte Ausbreitung von Licht und ordnen diesem Gebiet auch Themen wie Interferenz, Beugung, statistische Optik und Photonenoptik zu. Unter Photonik hingegen verstehen wir Themen, die die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie berühren, sowie optische Bauteile und Systeme. Da die Miniaturisierung von Bauteilen und Systemen immer weiter voranschreitet und zur Entwicklung neuer Gebiete wie Nanophotonik und Biophotonik geführt hat, nimmt auch die Bedeutung der Photonik immer weiter zu.

Inhalt

Die wesentlichste Neuerung ist das neue Kapitel Optik von Metallen und Metamaterialien, ein Thema, das einen erheblichen Einfluss auf die Photonik hatte. Das neue Kapitel umfasst Theorie und Anwendungen für einfachund doppelt-negative Medien, Metalloptik, Plasmaphysik, Optik von Metamaterialien und Transformationsoptik.

Alle Kapitel aus der zweiten Auflage wurden gründlich überprüft und aktualisiert; siehe die folgende kapitelweise Aufführung der Änderungen und Ergänzungen.

• • Kapitel 1 aufgenommen.
• • Kapitel 1 (Strahlenoptik). Strahlenoptische Beschreibungen optischer Komponenten wie Biprismen, Axicons, LED-Kollimatoren und Fresnellinsen wurden hinzugefügt. Die Verbindung zwischen der Charakterisierung eines beliebigen paraxialen optischen Systems durch seine Strahltransfermatrix und seine Brennpunkte wird erläutert. Weiterhin wurde eine matrixoptische Analyse der Bildgebung mit einem beliebigen paraxialen optischen System aufgenommen.
• • Kapitel 2 (Wellenoptik). Eine wellenoptische Analyse des Durchgangs von Licht durch Biprismen und Axicons wurde hinzugefügt. Die Fresnelzonenplatte wird aus dem Blickwinkel der Interferenz diskutiert, und eine Analyse des Michelson-Fabry-Pérot (LIGO)-Interferometers zum Nachweis von Gravitationswellen im fernen Universum wurde integriert.
• • Kapitel 3 (Optik von Strahlbündeln). Die Beschreibung der Laguerre-Gauß-Strahlen wurde gegenüber der Vorauflage verbessert. Die grundlegenden Merkmale einiger weiterer Strahlbündel werden diskutiert, z. B. von optischen Wirbeln, Ince-Gauß-Strahlen, Besselstrahlen, Bessel-Gauß-Strahlen und Airystrahlen.
• • Kapitel 4 (Fourieroptik). Eine Analyse der Fresnelbeugung an einer periodischen Öffnung (Talboteffekt) wurde aufgenommen. Nichtbeugende Wellen und Besselstrahlen werden aus der Perspektive der Fourieroptik diskutiert. Eine Diskussion der computergenerierten Holographie wurde neu aufgenommen.
• • Kapitel 5 (Elektromagnetische Optik). Ein neuer Abschnitt über Dipolwellen, die Basis der Nahfeldoptik, wurde aufgenommen. Ebenso wurde ein neuer Abschnitt zur Rayleigh- und Miestreuung sowie zur Dämpfung in einem Medium mit Streuzentren hinzugefügt.
• • Kapitel 6 (Polarisationsoptik). Die Darstellung der Dispersionsrelationen in anisotropen Medien wurde überarbeitet.
• • Kapitel 7 (Optik photonischer Kristalle). Die Darstellung des Verhaltens dielektrischer Strahlteiler wurde vereinfacht. Eine Diskussion von Herstellungsverfahren für dreidimensionale photonische Kristalle wurde aufgenommen.
• • Kapitel 8 (Optik von Metallen und Metamaterialien). Dieses neue Kapitel beleuchtet einfach- und doppeltnegative Medien, Metalloptik, Plasmonik, die Optik von Metamaterialien sowie die Transformationsoptik. Zu den behandelten Themen gehören evaneszente Wellen, Oberflächenplasmonpolaritonen, lokalisierte Oberflächenplasmonen, Nanoantennen, Metaoberflächen, Abbildungen im Subwellenlängenbereich und Tarnumhänge.
• • Kapitel 9 (Wellenleiteroptik). Ein neuer Abschnitt über Wellenleiterarrays, der die Kopplung mehrerer Wellenleiter beschreibt und den Begriff der Supermoden erläutert, wurde eingefügt. Weiterhin wurden Abschnitte über plasmonische Wellenleiter, Metall-Isolator-Metall- und Metallschicht-Wellenleiter sowie periodische Metall/Dielektrikum-Arrays aufgenommen.
• • Kapitel 10 (Faseroptik). Eine Diskussion von Mehrkernfasern, Faserkopplern und photonischen Laternen wurde ebenso hinzugefügt wie ein kurzer Abriss der Anwendungen von Fasern aus photonischen Kristallen. Weiterhin wurden Abschnitte über Multimaterialfasern (einschließlich konventioneller und hybrider Fasern für das mittlere Infrarot) sowie Spezialund Multifunktionsfasern eingeführt.
• • Kapitel 11 (Resonatoroptik). Ein Abschnitt über plasmonische Resonatoren wurde hinzugefügt.
• • Kapitel 12 (Statistische Optik). Die Abschnitte über optische Kohärenztomographie und unpolarisiertes Licht wurden neu organisiert.
• • Kapitel 13 (Photonenoptik). Eine kurze Beschreibung der Einzelphotonen-Bildgebung wurde hinzugefügt. Die Diskussion von quadratur- und photonenzahlgequetschtem Licht wurde verbessert und Beispiele für die Erzeugung und Anwendung dieser Lichtformen werden beschrieben. Ein Abschnitt über Zweiphotonenlicht, verschränkte Photonen und Zweiphotonenoptik wurde aufgenommen. Beispiele für die Polarisationszustände und die räumliche Optik von Zweiphotonenlicht und Zweistrahloptik wurden hinzugefügt.
• • Kapitel 14 (Licht und Materie). Der Titel dieses Kapitels wurde von Photonen und Atome zu Licht und Materie geändert. Kurze Beschreibungen des Zeemaneffekts, des Starkeffekts und der Ionisationsenergie wurden hinzugefügt. Die Diskussion des Einflusses von Lanthanoidionen wurde verbessert. Der Abschnitt über Laserkühlung, Laserfallen und Atomoptik wurde um Beschreibungen von Dopplerkühlung, optischer Melasse, optischen Pinzetten, optischen Gittern, Atominterferometrie und Atomverstärkern erweitert.
• • Kapitel 15 (Laserverstärker). Beschreibungen von Quasi-Dreiniveau- und Intrabandpumpen wurden hinzugefügt. Die Diskussionen spezifischer Laserverstärker wie z. B. denjenigen auf der Basis von Rubin, neodymdotiertem Glas, erbiumdotierten Quarzglasfasern sowie von Raman-Faserverstärkern wurden erweitert und verbessert.
• • Kapitel 16 (Laser). Eine Diskussion des Tandempumpens sowie Beschreibungen von übergangsmetalldotierten Zinkchalkogeniden, Silicium-Ramanlasern und Masteroszillator-Leistungsverstärkern (MOPA) wurden hinzugefügt. Auch das optische Pumpen von inneren Schalen, der Freie-Elektronen-Röntgenlaser sowie optische Frequenzkämme werden nun behandelt.
• • Kapitel 17 (Halbleiteroptik). Der Abschnitt über organische Halbleiter wurde erweitert. Eine Diskussion über die Gruppe-IV-Photonik einschließlich Graphen und zweidimensionalen Materialien wie Übergangsmetall-Dichalkogeniden wurde hinzugefügt; ebenso eine kurze Diskussion von Quantenpunkt-Einzelphotonenemittern.
• • Kapitel 18 (LED und Laserdioden). Der Titel dieses Kapitels wurde von Halbleiter-Photonenquellen zu LED und Laserdioden geändert. Ein neuer Abschnitt über die Grundlagen der LED-Beleuchtung wurde aufgenommen. Auch kurze Diskussionen zu Mikroresonator-LED, siliciumphotonischen Lichtquellen, Quantenpunkt-Halbleiterverstärkern, durchstimmbaren Laserdioden, Breitband-Laserdioden sowie Laserdiodenstapeln wurden eingefügt. Eine Diskussion des Linienverbreiterungsfaktors wurde hinzugefügt und ein neuer Abschnitt über Nanoresonatorlaser wurde eingeführt.
• • Kapitel 19 (Photodetektoren). Der Titel dieses Kapitels wurde von Halbleiter-Photodetektoren zu Photodetektoren geändert. Kurze Diskussionen von organischen, plasmonischen, Gruppe-IV- und graphenbasierten Photodetektoren sowie von kanten- und...