Modulbeschreibung
Photonik I
ECTS-Punkte:
12
Lernziele:
Die Studierenden
- kennen die Grundlagen von Reflexion, Brechung und Dispersion, verstehen das Konzept der optischen Abbildung und kennen wichtige Strahlengänge.
- können optische Grundelemente zu einfachen optischen Instrumenten zusammensetzen, können die optische Abbildung durch diese Systeme konstruieren und berechnen und kennen deren Anwendungen.
- können in einem einschlägigen Optik-Simulationsprogramm (sequentiell) einfache optische Systeme und Instrumente aufbauen, bewerten und optimieren.
- kennen die grundlegenden Elemente und Funktionen eines parametrischen 3D CAD-Systems und können dieses für die Konstruktion einfacher dreidimensionaler Bauelemente einsetzen.
- können aus dem 3D Modell zweidimensionale technische Zeichnungen erstellen.
- können zu einer gegebenen Fragestellung selbstständig photonische und mikrotechnische Baugruppen im CAD modellieren.
- kennen die wichtigsten Werkstoffe der Mikrotechnik und der Photonik (Gläser, Kristalle, Metalle, Keramiken, Polymere) und deren mechanische, chemische und optische Eigenschaften.
- können Werkstoffe anwendungsbezogen auswählen.
- kennen ausgewählte Messtechniken zur Charakterisierung von Werkstoffen und zur Bestimmung von Werkstoffeigenschaften.
- kennen einige grundlegende Prozesse (Legieren, Diffundieren, Rekristallisieren, Löten, Sintern) zum Modifizieren und Verbinden von metallischen und keramischen Werkstoffen.
- kennen relevante Fertigungsverfahren und Einsatzgebiete für Polymere in der Mikrotechnik.
- kennen unterschiedliche formgebende Bearbeitungsverfahren (Drehen, Fräsen, Bohren von Gläsern; Abformen von Gläsern – z.B. Blankpressen- und Kunststoffen) sowie die unterschiedlichen Schleif- und Polierverfahren für optische Oberflächen.
- können die physikalischen Prinzipien von Halbleiterbauteilen erklären.
- können den Aufbau und die Funktionsweise der wichtigsten analogen Bauelemente skizzieren und erklären.
- können die wichtigsten analogen Schaltungstopologien erkennen und beschreiben.
- können Verstärkertypen anwendungsspezifisch auswählen und können Verstärkerschaltungen auslegen.
- können elektronische Schaltungen mit den analogen Standardbauteilen mittels strukturierter Vorgehensweise entwerfen.
Kurse in diesem Modul
Grundlagen optischer Systeme:
Grundlagen der Strahlenoptik
- geradlinige Ausbreitung, Fermat'sches Prinzip, Welle-Teilchen-Dualismus, Reflexion, Brechung, Brechungsindex, Dispersion, Abbe-Zahl
Optische Abbildung
- Brechung an sphärischer Fläche, Brennweite, Abbildungsgleichung dünne Linse, Abbildungsgleichung sphärischer Spiegel
- Bildkonstruktion mit Konstruktionsstrahlen für dünne Linse, Spiegel
- Dicke Linsen und Matrixmethode
- Aberrationen
- Blenden und ihre Wirkung (Apertur-/Feldblende), Schärfentiefe, Pupillen und Luken, Öffnungsverhältnis und Blendenzahl, Asphären
Optische Systeme
- Optik-Design Beispiel - Vorgabe Spezifikationen, Vorgehensweise
- Beugung (Kreisblende) / Rayleigh / Abbildung / Auflösungsvermögen (Mikroskop, …)
- Performance-Beurteilung optischer Systeme
Klassenunterricht mit 4 Lektionen pro Woche
Elektronik:
- Einführung in die Halbleitertheorie
- Grundlagen der elektrischen Eigenschaften der wichtigsten analogen Bauelemente
- Diode, Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften
- Bipolartransistor, Sperrschicht und MOS-Feldeffekttransistor
- Operationsverstärker Grundschaltungstopologien
- Signalverstärker, Filter, Integratoren, Schmitt-Trigger
- Bandgap-Prinzip, Konstant-Spannungsquelle, Konstant-Stromquelle, Stromspiegel
- Oszillatoren, Kippschaltungen
- Elektronik-Projekt
Klassenunterricht mit 2 Lektionen pro Woche
Werkstoffe und Fertigungsverfahren:
Optische Werkstoffe:
Teil 1: Anorganische Werkstoffe:
- Mechanische Eigenschaften und ihre strukturellen Hintergründe (Gitterfehler, Härtungsmechanismen, Bruchvorgänge)
- Legierungsbildung und Zustandsdiagramme (Phasenregel, Hebelgesetz, Grundtypen binärer Phasendiagramme, Anwendungen)
- Thermisch aktivierte Vorgänge (Diffusion, Rekristallisation, Löten, Sintern)
Teil 2: Polymere Werkstoffe:
- Gruppen und Chemie der Polymerwerkstoffe: Thermoplaste, Elastomere, Duromere, Modifikation und Funktionalisieren
- Struktur-Eigenschafts-Beziehungen: thermische, mechanische, rheologische Eigenschaften, Permeation und Migration
- Messmethoden: mechanische Prüfung, Thermoanalyse, Molekülspektrometrie, Rheologie
- Verfahrenstechnik: Verarbeitung der Materialgruppen zu Bauteilen, Kombinieren von Werkstoffen (Kleben, Mehrschichtsysteme)
- Typische Anwendungen von Polymeren in der Mikrotechnik
Teil 3: Optische Werkstoffe:
- Grundlagen zu Kristallgittern
- Aufbau von Gläsern, Kunststoffen, Kristallen
- Optische, mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften
- Optische Kenngrössen und ihre Bestimmung (Brechzahl, Dispersion, Abbe-Zahl, Reflexion / Absorption / Transmission, …) zur Interpretation von Diagrammen und Datenblättern.
- Auswahl optischer Werkstoffe für spezifische Anwendungen
Urformen:
- Urformende Verfahren für Gläser zur Herstellung von Gobs und Presslingen, Glasblöcken, Flachglas
- Urformende Verfahren für Kunststoffe: Giessen, Spritzgiessen, Heissprägen, Spritzprägen
- Urformende Verfahren für Kristallwerkstoffe: Züchtung aus Gasphase, Lösung und Schmelze
Umformen:
- Pressen, Senken und Ziehen von optischem Glas
- Prozesse und Anwendungsgebiete
Ausgewählte trennende Fertigungsverfahren:
- Zerteilen (Brechen und Spalten, Sägen)
- Spanen (Drehen, Fräsen & Bohren, Schleifen, Läppen & Polieren)
- Reinigen
Ausgewählte Fügeverfahren:
- Lösbare, stoffschlüssige Verbindungen im technologischen Prozess (Blocken, Kitten, Kleben, Gipsen, Ansprengen, Spannen)
- Montageprozesse optischer Bauelemente (Zentrieren, Richten & Justieren, Feinkitten, Kleben, Löten, Fassen, Diffusionsschweissen)
Fertigungstechnologien:
- Lösungswege zur Herstellung von Bauelementen (exemplarisch)
Klassenunterricht mit 4 Lektionen pro Woche
CAD:
CAD-Einführung:
- 3D Modele erstellen (Rotationskörper und prismatische Körper)
- Technische Zeichnungen aus den 3D Modellen erstellen
- Baugruppen erstellen (inkl. Importieren von Step.-Files ins CAD)
CAD-Projektarbeit:
- Erstellen einer Baugruppe und der zugehörigen technischen Zeichnungen an einer konkreten Aufgabenstellung aus der Photonik (z.B. 3D Modell eines Fernrohrs, Mikrosystems)
Klassenunterricht mit 2 Lektionen pro Woche
Disclaimer
Diese Beschreibung ist rechtlich nicht verbindlich! Weitere Informationen finden Sie in der detaillierten Modulbeschreibung.