Modulbeschreibung

Die Studierenden

• verstehen das Funktionsprinzip eines Lasers und die zugrundeliegenden physikalischen Konzepte sowie deren mathematische Beschreibung über Differentialgleichungen.
• kennen die besonderen Eigenschaften von Laserlicht und wissen diese für photonische Systeme nutzbringend einzusetzen.
• kennen die Konzepte der bedeutendsten Lasertypen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen und können die wichtigsten Schritte zu ihrer Auslegung durchführen.
• kennen wichtige Laseranwendungen und können die dafür notwendigen photonischen Systeme in ihren Grundzügen auslegen.
• kennen die bedeutendsten Verfahren der Lasermaterialbearbeitung für Gläser, Kunststoffe und Metalle und können diese mit den mechanischen Verfahren in Kontext setzen.
• kennen die grundlegenden Vorschriften des Laserschutzes und wissen diese anzuwenden.
   

Elektromagnetische Strahlung und atomare Systeme

• Bolzmannverteilung und Einsteinkoeffizienten

Laserprinzip

• Besetzungsinversion und Verstärkung
• Anregungsmethoden
• Ratengleichungsmodell von 2-, 3- und 4-Niveaulaser

Laserbetrieb

• Laserschwelle
• Stationärer Betrieb
• Laserdynamik

Laserresonatoren

• Resonatortypen
• Stabilitätskriterien
• Thermische und Beugungseffekte bei Resonatoren

Lasermoden

• Homogene und inhomogene Verbreiterung
• Entstehung von Lasermoden
• Der Gauss’sche Strahl und seine Eigenschaften
• Gauss-Moden

Gepulste Laser

• Güteschaltung und Cavity-Dumping
• Modenkopplung

Frequenzvervielfachung

• Methoden der Phasenanpassung
• Frequenzverdopplung und -verdreifachung

Technische Realisierung von Lasern

• Halbleiterlaser (Laserdioden, Laserbarren, Laserstapel)
• Festkörperlaser (Stab-, Scheiben- und Faserlaser)
• Gaslaser (HeNe, CO2- und Excimerlaser)

Laseranwendungen

• Fertigungstechnik
• Medizin
• Forschung
• Messtechnik
• Mikroskopie

Lasersicherheit

• Laserklassen und Schutzmassnahmen

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Optikkonstruktion, Optische Dünnschichten sowie Optoelektronik in Theorie und Praxis statt.

Vorlesung, Übungen, Demonstrationen, Selbststudium

• Rainer Dohlus: Lasertechnik
  De Gruyter (2015)
• Hans Joachim Eichler, Jürgen Eichler: Laser
  Springer Vieweg (2015)
• Wulfhard Lange: Einführung in die Laserphysik
  Wissenschaftliche Buchgesellschaft (1994)
• Helmut Hügel, Thomas Graf: Laser in der Fertigung
  Springer Vieweg (2014)
• N. Leibinger-Kammüller (Hrsg.): Werkzeug Laser
  Vogel Buchverlag (2006)

Die Studierenden

• kennen das Konzept des Äquivalenzbrechungsindex von Viertelwellenschichten und können damit die Funktion beliebiger Viertelwellensysteme beurteilen.
• können unter Verwendung von Viertelwellenschichten einfache AR-, HR- und Filtersysteme auslegen und deren Performance bei der Designwellenlänge berechnen.
• können zur Beurteilung des gesamten spektralen Verhaltens einfache Simulationstools (wie z.B. OpenFilter) nutzen.
• kennen die relevanten Beschichtungsverfahren für die Herstellung von dielektrischen und metallischen Beschichtungen sowie ihre Vor- und Nachteile.
• kennen die verschiedenen Kenngrössen optischer Beschichtungen und die entsprechenden Analyseverfahren, um diese zu charakterisieren.

Grundlagen:

• Wiederholung der Fresnel-Formeln
• Substrat-Reflektivität versus Amplituden-Reflektivität

Das Viertelwellenkonzept

• Viertelwellenschichten und Äquivalenzbrechungsindex
• Matrixmethode / Simulationssoftware für Dünnschichtsyteme
• Konzept, Berechnung und Simulation von AR-Schichten
• Konzept, Berechnung und Simulation von HR-Schichten
• Konzept, Berechnung und Simulation von SWP und LWP Filter

Schichtherstellung und Charakterisierung

• PVD und CVD Verfahren für optische dünne Schichten
• Transmissions- Reflexions- und Absorptionsmessung

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Optikkonstruktion, Laser und Laseranwendungen sowie Optoelektronik in Theorie und Praxis statt.

Vorlesung, Übungen, Simulationslabor, …
Industriebeitrag zum Thema PVD/CVD (Optics Balzers / Evatec)

MacLeod, Thin Film Optical Filters
Brass, Handbook of Optics, Vol. I

Die Studierenden

• kennen die Anwendungsbereiche eines gängigen Simulationsprogramms im nicht-sequentiellen Modus, können dieses situationsbezogen richtig einsetzen und kennen dessen Limitationen.
• sind in der Lage dieses für die Auslegung, Bewertung und die Optimierung von optischen Systemen einsetzen.
• sind in der Lage anhand von Datenblättern entsprechende optische Komponenten in einem Simulationsprogramm zu implementieren und kennen deren Funktion (z.B. diverse Strahlungsquellen, Detektoren, Filter).
• kennen den wesentlichen Aufbau eines photonischen Systems, entwickeln Verständnis über die Implementation von optischen Methoden/Eigenschaften (z.B. LED Kollimation/Streuung) in einem Simulationsprogramm.
• können ein gängiges Simulationsprogramm im Rahmen von einer technischen Problemstellung/Designaufgabe anwenden und selbstständig kleinere Projekte bearbeiten und dokumentieren.

Aufbau und Grenzen eines Simulationsprogramms im nicht sequentiellen Modus
Simulation von Systemkomponenten:

• Strahlungs-/Lichtquellen und Detektoren anhand ihrer Spezifikationen erstellen
• Zylinderlinsen, Asphären, Spiegel, etc. anhand ihrer Spezifikationen erstellen
• Linsen-Arrays, Prismen, Freiformobjekte erstellen

Simulation optischer Eigenschaften von Komponenten:

• Transmission , Reflexion, Streuung an Flächen und Volumina
• Polarisationsbeeinflussung (Polfilter, Halbwellenplatte, Viertelwellenplatte)

Auslegung einfacher optischer Systeme:

• Kollimator, Farbmischung einer RGB-LED, Wegmessung
• Optimierung von einfachen Systemen (z.B. von Strahleigenschaften wie Kollimation, Homogenität, maximale Intensität)
• Simulation einfacher Interferenzerscheinungen
• Import/Export von Dateiformaten
• Analysemöglichkeiten eines optischen Systems mit einem Simulationsprogramm

Während der Unterrichtsphase wird eine Projektarbeit geschrieben..

Vorlesung, Übungen, Selbststudium, Projektarbeit

Vorlesungsskript, vorgefertigte Simulationsfiles

Die Studierenden

• kennen die verbreiteten Lichtquellen-Technologien, deren praktische Anwendung und Nutzung sowie deren typische Beschaltungen.
• kennen die wichtigsten Unterschiede zwischen linearen und getakteten Treibern und können den geeigneten Treiber für die spezifische Situation auswählen und auslegen.
• kennen die unterschiedlichen Lichtdetektortypen (Photowiderstand, PN und PIN Photodiode, Phototransistor, Pyroelektrische Detektoren, Low Light Detektoren wie APD und Photomultiplier) und können sie anwendungsbezogen auswählen.
• kennen die wichtigsten Unterschiede zwischen Kamerasensoren (CCD und CMOS), können deren Vor- und Nachteile beurteilen und können sie anwendungsbezogen auswählen.
• kennen das Ausleseprinzip eines Kamerasensors und können dieses für einfache Anwendungen implementieren.
• kennen die wichtigsten Aktoren für photonische Anwendungen und können sie anwendungsbezogen auswählen.
• kennen die unterschiedlichen Displaytechnologien und können sie für eine spezifische Anwendung auswählen.

Optoelektronische Komponenten zur Lichterzeugung

• Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen, lineare und getaktete Treiber für LED Anwendungen (Dimming)
• Laserdioden-Treiber und Temperaturregelung der Laserdioden

Optoelektronische Komponenten zur Lichtdetektion

• Halbleiter- und nicht Halbleiter basierte Lichtdetektoren
• CCD/CMOS Sensoren

Displaytechnologien und deren Anwendungen (LCD, LED, OLED)
Aktoren für die Optoelektronik

• Piezoelektrische und Pyroelektrische Effekte
• Aktoren für die Optoelektronik ( z. B. Piezoaktoren, Pokelszellen, LCD-Shutter, EOM, AOM, etc.)

Während der Unterrichtsphase wird eine Prüfung geschrieben. Zusätzlich findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Optikkonstruktion, Optische Dünnschichten sowie Laser und Laseranwendungen statt.

Vorlesung, Übungen, Labordemonstrationen, Selbststudium, Projektarbeit

Kasap S. O.: Optoelectronics and Photonics
Saleh, Teich: Grundlagen der Photonik

Die Studierenden

• kennen opto-mechanische Konstruktionskonzepte für photonische Systeme.
• können opto-mechanische Konstruktionskonzepte an einfachen Beispielen anwenden.
• kennen die wichtigsten opto-mechanischen Montagekonzepte.
• können normgerechte technische Zeichnungen optischer Elemente und Systeme inkl. aller fertigungs- und montagetechnischen Toleranzangaben lesen und interpretieren.
• können normgerechte technische Zeichnungen optischer Elemente und Systeme inkl. aller fertigungs- und montagetechnischen Toleranzangaben erstellen.
   

Grundlagen der Optikkonstruktion

• Einführung in die Optikkonstruktion
• Optische Grundlagen und Herstellungsfehler
• Ausrichtung und Positionierung von optischen Komponenten

Technisches Zeichnen

• Normgerechtes Zeichnen, Spezifizieren und Tolerieren von optischen Komponenten und Baugruppen

Design Prinzipien der Optikkonstruktion

• Mechanische Aspekte der Optikkonstruktion
• Thermische Aspekte der Optikkonstruktion
• Kinematische Aspekte der Optikkonstruktion

Es findet eine abgesetzte Modulschlussprüfung zusammen mit den Kursen Optische Dünnschichten, Laser und Laseranwendungen sowie Optoelektronik in Theorie und Praxis statt.

Vorlesung, Übungen, Selbststudium

K. J. Kasunic: Optomechanical Systems Engineering
DIN-Taschenbuch 304, Beuth (2014)
Ergänzende Literatur:
A. Ahmad: Handbook of optomechanical engineering
P. Yoder: Opto-Mechanical Systems Design

Unterrichstsprache ist Deutsch, Unterlagen teilweise in Englisch