Modulbeschreibung

Die Studierenden

• kennen die grundlegenden Unterschiede verschiedener Lichtquellen (thermische Strahler / Linienstrahler / Halbleiterlichtquellen) sowie die wichtigsten Kenngrössen von Lichtquellen (Wellenlänge, Brillanz, Bandbreite, Betriebsmodi).
• kennen konkrete Lichtquellen wie Glühlampen, Entladungslampen, Laser, LEDs, … in unterschiedlichen Spektralbereichen UV / VIS / NIR / IR können diese situationsbezogen auswählen und richtig einsetzen.
• kennen die grundlegenden Vorschriften der photobiologischen Sicherheit.
• kennen die unterschiedlichen lichttechnischen (radiometrischen und photometrischen) Grössen und können diese richtig einsetzen.
• kennen die Grundlagen der Bewertung von Licht und Farbe, unterschiedliche Farbräume und können die Farbwiedergabequalität des Lichtes beurteilen.
• können Beleuchtungskonzepte auswählen und aufbauen.

Grundlagen der Lichterzeugung

• Lichterzeugung mittels Plasmen
• Lichterzeugung bei Temperaturstrahlern
• Lichterzeugung in Halbleitern (anorganisch und organisch)

Messung und Bewertung optischer Strahlung

• Das Auge und Sehen beim Menschen
• Strahlungsphysikalische (radiometrische) Grundgrössen
• Lichttechnische (photometrische) Grundgrössen
• Farbmetrik (Farbsysteme, MacAdam-Ellipsen, Judd-Gerade,  Farbwiedergabeindex)

Technik der Lichtquellen

• Glühlampen
• Niederdruck-Entladungslampen (Leuchtstoff-, Kaltkathoden-, Natriumdampfniederdruck-, Spektrallampen)
• Hochdruckentladungslampen (Quecksilberhochdrucklampe, Na-Dampf-Hochdruck, Halogenmetalldampf-, Xenonlampen)
• Halbleiterlichtquellen (LED, Besonderheiten LEDs, weisse LEDs, Datenblatt)
• Organische LEDs

Photobiologische Sicherheit von Lichtquellen, Lampen und Lampensystemen

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Licht und Materie, Mixed-Signal Elektronik sowie Photonikpraktikum I statt.

Vorlesung, Übungen, Labordemonstrationen, Selbststudium, Projektarbeit

Hentschel: Licht und Beleuchtung;
Hans Rudolf Ries: Beleuchtungstechnik für Praktiker: VDE-Verlag;
Siegfried Banda: Lichttechnische Berechnungen (Reihe Technik);
Lange: Handbuch für Beleuchtung, Verlag ecomed

Die Studierenden

• kennen den Begriff des Welle-Teilchen-Dualismus und können Licht als elektromagnetische Welle und als Teilchen (Photon) beschreiben.
• kennen das (semi-) klassische Konzept der Licht-Materie Wechselwirkung und können Dipolstrahlung und Streuung sowie Dispersion und Absorption in Dielektrika und Metallen qualitativ erklären.
• kennen das (quantenmechanische) Konzept diskreter Energieniveaus in Atomen und das Bändermodell in Festkörpern.
• können mittels E(k)-Diagramm in einem reduzierten Bandschema den Unterschied zwischen direkten und indirekten Halbleitern erklären.
• kennen die verschiedenen Absorptions- und Emissionsprozesse in atomaren Systemen und in Halbleitern und können diese qualitativ beschreiben.
• können sowohl das Prinzip der Lichtentstehung bei LEDs wie auch das Grundprinzip der Lichtdetektion bei einer HL-Photodiode erklären.

Welle-Teilchen-Dualismus (Energie/Impuls des Photons)
Klassische (semiklassische) Modelle

• Dipolstrahlung / Streuung
• Absorption / Dispersion von Dielektrika und Metallen

Quantenmechanik Grundlagen

• Schrödingergleichung / Wellenfunktion / Unschärfe
• Elektronen im unendlichen & endlichen Kastenpotential

Wechselwirkung von Licht mit Atomen

• Das Wasserstoffatom und seine Spektren
• Photonen und Atome (Einelektron-, Mehrelektronatome, Moleküle)

Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern

• Halbleiter und Bandstruktur
• Energiezustände im HL und Übergänge
• Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern
• Lichtentstehung in einer LED
• Lichtdetektion mit einer Si-Photodiode

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Lichttechnik, Mixed-Signal Elektronik sowie Photonikpraktikum I statt.

Vorlesung, Übungen

J. Jahns: Photonik
Saleh & Teich: Grundlagen der Photonik

Die Studierenden

• kennen das Konzept elektromagnetischer Wellen als Transversalwellen und deren mathematische Beschreibung über komplexe Zeiger.
• verstehen das Konzept der Polarisation, kennen die unterschiedlichen Polarisationsformen sowie das Konzept der Doppelbrechung und können diese mathematisch erfassen.
• kennen die wichtigsten optischen Elemente zur Beeinflussung der Polarisation (Polfilter, Halb -und Viertelwellenplättchen, LCD, Pockelszellen) und können diese einsetzen.
• kennen das Konzept von Kohärenz und Interferenz und können diese für einfache Systeme in den Bereichen Dünnschichtinterferenz und Interferometrie berechnen.
• können Beugungsphänomene (Fresnel- und Fraunhoferbeugung) erkennen, und beschreiben.
• kennen das Konzept und die Anwendungen idealer und realer Beugungsgitter und können die entstehenden Beugungsmuster berechnen.
   

Elektromagnetische Wellen:

• Konzept und Erzeugung elektromagnetischer Wellen
• Eigenschaften und mathematische Beschreibung EM Wellen

Polarisation:

• Begriff Polarisation / Polarisationsformen / Erzeugung von polarisiertem Licht / Mathematische Beschreibung der Polarisation (Jones-Matrizen)
• Doppelbrechung (linear & zirkular)
• optische Elemente zur Polarisationsbeeinflussung (Polfilter, Halbwellenplatte, Viertelwellenplatte)
• Anwendungen: LCD / Pockelszelle / …

Interferenz:

• Kohärenz und Interferenz
• Interferometrie / Interferometertypen
• Fresnelformeln und ihre Anwendungen
• Dünnschichtinterferenz

Beugung:

• Fresnel und Fraunhoferbeugung am Einzelspalt
• Beugung an idealen und realen Beugungsgittern
• Anwendung: AOM
• Anwendung: Gitterspektrometer (Auflösungsvermögen / blazed grating, …)

Während der Unterrichtsphase wird eine Prüfung geschrieben.

Vorlesung, Übungen, Labordemonstrationen

E. Hecht, Optik 6. Auflage

Der Kurs findet in den ersten 7 Wochen des Semesters à 4 Lektionen statt.

Die Studierenden

• kennen die Grundprinzipien des Rauschens und der Verzerrung, können die Kaskade von mehreren Verstärkerstufen auslegen und deren Vor- und Nachteile in Bezug auf Rauschen und Verzerrungen beurteilen.
• kennen die Grundlagen analoger Filter und können passive und aktive Filter auslegen.
• kennen die Grundprinzipien der Signal-diskretisierung (Sampling, Quantisierungsrauschen, Aliasing) sowie die Hauptfehlerquellen der Signalwandlung (Offset-, Verstärkung- und Linearitätsfehler).
• kennen die wichtigsten A/D und D/A Signalwandlertopologien, können deren Vor- und Nachteile einschätzen und für eine spezielle Anwendung den richtigen Wandlertyp auswählen.
• kennen die wichtigsten Schnittstellen zwischen Signalwandlern und digitalen Systemen.

Einführung der Grundbegriffe
Rauschen und Verzerrung

• Typen von Rauschquellen, Gesamtwirkung von mehreren Rauschquellen, Rauschzahl
• Verzerrung und dessen Auswirkungen

Filter

• Grundlagen analoger passiver und aktiver Filter

DA / AD Wandlung

• Grundprinzipien der Signaldiskretisierung (Abtastung, Quantisierung, Aliasing)
• Hauptfehlerquellen der Signaldiskretisierung (Offset-, Verstärkung- und Linearitätsfehler)
• Wichtigste D/A- und A/D-Wandler-Architekturen und deren Kenngrössen

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Licht und Materie, Lichttechnik sowie Photonikpraktikum I statt.

Vorlesung, Übungen, Labordemonstrationen, Selbststudium, Laborübung / Projektarbeit

Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik
Horowitz, Hill: The Art of Electronics

Die Studierenden

• haben praktische Erfahrungen im Bereich geometrische Optik gesammelt, insbesondere beim Einsatz von optischen Grundelementen und beim Aufbau von einfachen Freistrahloptiken.
• verfügen über praktische Erfahrungen beim Einsatz von Mikroskopen.
• haben praktische Erfahrung im Bereich Wellenoptik gesammelt, insbesondere in den Gebieten Beugung, Interferometrie und Polarimetrie.
• verfügen über praktische Erfahrungen beim Charakterisieren verschiedener Lichtquellen.
• sind mit dem Führen eines Laborjournals vertraut und können technische Berichte verfassen.

• Einführung ins Führen eines Laborjournals und ins Schreiben von Praktikumsberichten
• Spektralzerlegung
• Optische Grundelemente
• Mikroskopieversuch
• Kenngrössen optischer Materialien
• Abbildenden Optiken
• Interferometrie
• Polarisationsexperiment
• Beugungsexperimente
• Charakterisierung unterschiedlicher Lichtquellen
• Exkursion zu einer Firma aus dem Bereich Optik Fertigung

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Licht und Materie, Lichttechnik sowie Mixed-Signal Elektronik statt.

Praktikum

Praktikumsbeschreibungen

Der Kurs findet in den letzten 7 Wochen des Semesters à 4 Lektionen statt.

Zusätzlich kommen 5 weitere Halbtage in der unterrichtsfreien Zeit dazu.