Table Of Content^ SpringerWienNewYork
Georg A. Reider
Photonik
Eine Einfuhrung
in die Grundlagen
Zweite, iiberarbeitete
und erweiterte Auflage
SpringerWienNewYork
Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Georg A. Reider
Institut ftir Photonik
Technische Universitat Wien, Wien, Osterreich
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdruckes, der
Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem
oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei
nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
Produkthaftung: Samdiche Angaben in diesem Fachbuch (wissenschaftlichen Werk) erfolgen
trotz sorgfaltiger Bearbeitung und KontroUe ohne Gewahr. Insbesondere Angaben iiber Dosie-
rungsanweisungen und Applikationsformen miissen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall
anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit uberprtift werden. Fine Haftung des
Autors oder des Verlages aus dem Inhalt dieses Werkes ist ausgeschlossen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
waren und daher von jedermann benutzt werden diirfen.
© 2005 Springer-Verlag/Wien
Printed in Austria
SpringerWienNewYork ist ein Unternehmen von Springer Science -I- Business Media
springer.at
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage des Autors
Druck: Novographic Druck G.m.b.H., 1230 Wien, Osterreich
Gedruckt auf saurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier - TCF
SPIN 11005964
Umschlagbild: Laser-getriebene Attosekunden-Impulsquellen (Impulsdauer von <250 Atto-
sekunden), entwickelt am Institut fur Photonik der Technischen Universitat Wien, ermoglich-
ten erstmals direkte Abtastung einzelner Lichtoszillationen (Periodendauer von 2 Femto-
sekunden) (R. Kienberger et al. Nature 427: 817, 2004).
Mit 214 Abbildungen
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber http://dnb.ddb.de abrufbar.
ISBN 3-211-21901-3 SpringerWienNewYork
ISBN 3-211-82855-9 1. Aufl. SpringerWienNewYork
Fiir Karin, Lukas und Jakob
Vorwort
Photonik bezeichnet jenes immer wichtiger werdende Fachgebiet, das sich
mit der kontrollierten Erzeugung, Ausbreitung und Detektion von (vor allem
koharentem) Licht, also von Photonen beschaftigt. Die Anlehnung der Wort-
bildung an 'Elektronik' steht dabei fiir ein ganzes Programm: Nicht nur sind
die genannten optischen Prozesse aufs engste mit elektronischen Vorgangen
verbunden, in zahlreichen technischen Anwendungen gehen Photonik und
Elektronik auch eine liberaus fruchtbare, einander erganzende Verbindung
ein.
Das vorliegende Buch will dem Leser eine vertiefte Einfiihrung in die Pho
tonik bieten, von den physikalischen Grundlagen bis hin zur Ebene der photo-
nischen 'Bauelemente' wie Laser, Verstarker, Wellenleiter, Modulatoren und
Schalter, Interferometer, Filter, Frequenzmischer und Detektoren. Dabei war
es nicht die Absicht, eine enzyklopadische Darstellung des ganzen Fachgebie-
tes zu geben, vielmehr beschrankt sich die Darstellung auf Bereiche, die aus
heutiger Sicht von besonderer technischer Relevanz sind. Der Schwerpunkt
liegt zudem auf der optischen Seite der Photonik und nicht so sehr auf der
elektronischen. Auf eine Darstellung von ausgesprochen 'klassischen' Gebie-
ten wie der bildgebenden Optik wurde dabei aber verzichtet, da es dafiir eine
Reihe ausgezeichneter Darstellungen gibt. Die dominierende Rolle kohdrenter
optischer Phanomene in der Photonik bringt es auch mit sich, da6 inkoharente
Felder und Lichtquellen nur am Rande erwahnt werden.
Das Buch ist zum Studium neben einer einschlagigen Vorlesung, aber auch
zum Selbststudium gedacht; Grundkenntnisse der Optik und der Festkorper-
elektronik werden vorausgesetzt. Ein wichtiges Ziel ist es, nicht nur die er-
forderlichen Grundkonzepte darzustellen, sondern den Leser auch mit mo-
dernen und leistungsfahigen Mitteln (Matrix-Formalismen, coupled-modes-
Formalismus etc.) zur Analyse photonischer Komponenten und Prozesse ver-
traut zu machen, was eine Voraussetzung zur Rezeption der einschlagigen
Fachliteratur ist. Einzelne Abschnitte, die mit einem * gekennzeichnet sind,
betreffen Spezialaspekte und sind fiir das Verstandnis der folgenden Kapitel
nicht Voraussetzung.
VIII Vorwort
Die angegebene Literatur stellt eine Empfehlung zum weiterfiihrenden
Studium dar, beinhaltet aber auch jene Werke, denen diese Darstellung ver-
pfiichtet ist, so vor allem die Biicher von H.HAUS, R.B.BOYD, O.SVELTO,
B.E.A.SALEH-M.C.TEICH und A.YARIV. Auch flir Referenzen auf Spezialli-
teratur in Fachjournalen sei auf diese hervorragenden Darstellungen verwie-
sen.
Gegenliber der ersten Auflage wurde das Werk in einigen Punkten re-
vidiert. Neben der Korrektur verschiedener Druckfehler wurden Betriebs-
eigenschaften von optischen Komponenten aktualisiert; Konzepte wie Pha-
senanpassung oder Modenkopplung wurden noch durchgangiger zugrunde ge-
legt. Abschnitte iiber die Lichtausbreitung in bewegten Medien, den opti
schen KERR-Effekt, Phasenkonjugation und RAMAN-Verstarkung wurden hin-
zugefiigt.
Dieses Buch ware nicht moghch gewesen ohne die Hilfe und Mitarbeit vieler
Freunde und Kollegen. Allen voran danke ich meinem Kollegen Martin Hofer,
der sich nicht nur neben seiner Forschungsarbeit der Miihe unterzogen hat,
den iiberwiegenden Teil der Illustrationen zu erstellen, sondern zur Entstehung
des Buches auch durch zahlreiche Kommentare und Korrekturen unersetzliche
Beitrage geliefert hat.
Mein grofiter Dank aber gilt Hermann Haus, dem groBen Forscher und
Lehrer auf dem Gebiet der Photonik, der im Jahr 2003 viel zu friih aus seinem
enorm produktiven Leben gerissen wurde. Seine Konzepte und Ideen haben
die vorliegende Darstellung in zahlreichen Punkten beeinflufit. Hermann Haus
bleibt flir uns ein unerreichtes Vorbild in seiner grofiartigen Didaktik und
intellektuellen Prazision, vor allem aber in seiner Menschlichkeit.
Wien, Mai 2004 Georg A. Reider
Inhaltsverzeichnis
Licht als elektromagnetische Welle 1
1.1 Das elektromagnetische Feld 2
1.2 Die Wellengleichung 4
1.3 Ausbreitungsgeschwindigkeit 8
1.3.1 Phasengeschwindigkeit 8
1.3.2 Gruppengeschwindigkeit 9
1.3.3 Strahlgeschwindigkeit* 10
1.4 Energietransport 11
1.5 Polarisationszustande des Lichts 16
1.5.1 JONES-Formalismus 17
1.5.2 Zirkular polarisierte Basis 24
1.5.3 Polarisationseigenzustande 25
Ebene Wellen in Materie 27
2.1 Ubergang zwischen verschiedenen Medien 28
2.1.1 Phasenanpassung 28
2.1.2 Reflexions- und Transmissionskoeffizienten 32
2.1.3 Totalreflexion 39
2.2 Brechungsindex und Absorption 44
2.2.1 Lineares Oszillator-Modell 44
2.2.2 Absorption und Reflexion 47
2.2.3 Freies Elektronengas-Modell der Metalle 50
2.2.4 KRAMERS-KRONIG-Beziehungen* 53
2.3 Wellenausbreitung in anisotropen Medien 55
2.3.1 Ausbreitung in Richtung der Hauptachsen 60
2.3.2 Ausbreitung in beliebigen Richtungen 61
2.3.3 Doppelbrechende Bauelemente 70
2.3.4 Wellenausbreitung in elektrooptischen Medien 71
2.3.5 Fliissigkristall-Bauelemente 77
2.4 Spezielle Ausbreitungseff^ekte 79
2.4.1 Optische Aktivitat 79
X Inhaltsverzeichnis
2.4.2 Magnetooptischer Effekt 81
2.4.3 Wellenausbreitung in bewegten Medien 83
3 Strahl- und Impulsausbreitung 87
3.1 Strahlartige Wellenfelder 87
3.1.1 Paraxiale Wellengleichung 87
3.1.2 GAUSSsche Strahlen 88
3.1.3 Optische Komponenten im GAUSSschen Strahl 94
3.1.4 ABCD-Transformation des GAUSSschen Strahls 101
3.1.5 HERMITE-GAUSSsche Strahlen 106
3.1.6 FouRiER-optische Behandlung der Strahlausbreitung . . 108
3.2 Impulsausbreitung in Materie Ill
3.2.1 Dispersive Ausbreitungseffekte Ill
3.2.2 Nichtlineare Ausbreitungseffekte 122
3.2.3 Kombinierte nichtlineare und dispersive Effekte,
Solitonen 125
4 Interferenz optischer Felder 129
4.1 Zweistrahlinterferenz 129
4.1.1 MiCHELSON-Interferometer 130
4.1.2 MACH-ZEHNDER- und SAGNAC-Interferometer 133
4.1.3 Streumatrix 133
4.1.4 YouNGscher Doppelspalt 136
4.2 Vielstrahlinterferenz 138
4.2.1 Optische Liniengitter 139
4.2.2 Dielektrische Vielschichtsysteme 141
4.2.3 FABRY-PEROT-Interferometer 146
4.3 Resonatoren 150
4.3.1 Kugelspiegel-Resonatoren 152
4.3.2 Hohlraumresonatoren 158
4.4 Koharenz 159
4.4.1 Zeithche Koharenz 159
4.4.2 Raumliche Koharenz 164
5 Dielektrische Wellenleiter 165
5.1 Planare Wellenleiter 166
5.1.1 Eigenmoden des planaren Wellenleiters 167
5.1.2 Transversales Modenprofil 171
5.1.3 Dispersionsrelation 172
5.2 Glasfaser-Wellenleiter 174
5.2.1 Gradientenindex-Glasfaser-Wellenleiter 174
5.2.2 Stufenindex-Glasfaser-Wellenleiter 176
5.2.3 Verluste und Dispersion 183
5.3 Wellenleiterintegrierte Optik 188
5.3.1 Wellenleiterkoppler 189
Inhaltsverzeichnis XI
5.3.2 Eigenmoden des Wellenleiterkopplers 196
5.3.3 Wellenleitergitter 199
5.3.4 Wellenleiter-Interferometer und -Modulatoren 207
5.3.5 Aktive Wellenleiterkomponenten 212
Wechselwirkung Licht/Materie 215
6.1 Ubergange im Zwei-Niveau-System 215
6.2 Absorption und stimulierte Emission 222
6.3 Spontane Emission 224
6.4 Linienformen 226
6.5 Sattigung der Absorption 230
6.6 Koharente Lichtverstarkung 234
6.7 Optische Wechselwirkung mit Halbleitern 238
6.7.1 Energie-Zustande im Halbleiter 238
6.7.2 Optische Ubergange in Halbleitern 244
6.7.3 Verstarkungsbedingung 248
6.7.4 Ladungstrager-induzierte Brechungsindexanderung .... 251
Optische Oszillatoren 253
7.1 Stationares Verhalten 254
7.1.1 Vier-Niveau-Ratengleichungen 254
7.1.2 Laser-Kennlinie 256
7.1.3 Drei-Niveau-Laser 260
7.2 Frequenz- und Zeitverhalten von Lasern 261
7.2.1 Viellinien- und Einzellinienbetrieb 261
7.2.2 Modenauswahl 262
7.2.3 Theoretische Linienbreite 265
7.2.4 Relaxationsoszillationen und Gewinnmodulation 266
7.3 Gepulste Laser 270
7.3.1 Verstarkungs-Schalten 270
7.3.2 Gute-Schalten 271
7.3.3 Modenverkopplung 273
7.4 Atomare und molekulare Laser 278
7.4.1 Atomare Festkorper-Laser 280
7.4.2 Gas-Laser 286
7.5 Halbleiter-Laser 288
7.5.1 Homostruktur-Laser 289
7.5.2 Heterostruktur-Laser 292
7.5.3 Quantum-well-Laser 294
7.5.4 Ausfiihrungsformen und Betriebseigenschaften 297
XII Inhaltsverzeichnis
8 Nichtlineare Optik und Akustooptik 305
8.1 Nichtlineare Suszeptibilitat 305
8.2 Frequenzmischung in nichtlinearen Medien 308
8.3 Anharmonischer Oszillator 312
8.4 Nichtlineare Prozesse zweiter Ordnung 314
8.4.1 Frequenzverdopplung 314
8.4.2 Parametrische Verstarkung 324
8.4.3 Parametrische Frequenzkonversion* 328
8.5 Nichtlineare Prozesse dritter Ordnung 329
8.5.1 Frequenzverdreifachung 329
8.5.2 Optischer KERR-EfFekt 330
8.5.3 RAMAN-Verstarkung 334
8.5.4 Phasenkonjugation 336
8.6 Elektrooptische EfFekte 340
8.6.1 Linearer elektrooptischer EfFekt 341
8.6.2 Quadratischer elektrooptischer Effekt* 342
8.6.3 Feldinduzierte Frequenzverdopplung* 343
8.7 Akustooptik 344
9 Photodetektion 351
9.1 Photoelektrischer Effekt 351
9.1.1 Photoelektronen-Vervielfacher-Rohren 352
9.1.2 Halbleiter-Photodioden 355
9.1.3 Photoleiter 363
9.2 DetektorkenngroBen 364
9.3 Photometrische MaCeinheiten 365
9.4 Photonenstatistik 366
Literatur 371
Sachverzeichnis 375
