Optik und Photonik

Vollständig überarbeitete Neuauflage des maßgeblichen Grundlagen-Lehrbuchs zur Optik und Photonik - umfassend überarbeitet und mit einem neuen Kapitel zur Metamaterialoptik erweitert Die Optik ist eines der ältesten und faszinierendsten Teilgebiete der Physik und fest in den Curricula des Physikstudiums verankert. Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht und Phänomenen wie Interferenz, Brechung, Beugung und optischen Abbildungen. Die Photonik umfasst optische Phänomene, die primär auf der Wechselwirkung von (quantisiertem) Licht und Materie beruhen, und befasst sich mit dem Verständnis und der Entwicklung optischer Bauteile und Systeme wie etwa Lasern, LEDs und photonischen Kristallen. In bewährter Weise gibt die vollständig überarbeitete und erweiterte Neuauflage des "Saleh/Teich" eine Einführung in die Grundlagen der Optik und Photonik für Studierende der Physik und verwandter Wissenschaften. Ausführliche Erklärungen, rund 1000 Abbildungen und die zur quantitativen Durchdringung notwendige Mathematik ermöglichen ein tiefes Verständnis aller Teilgebiete der klassischen und modernen Optik. * Umfassend und verständlich: sämtliche Grundlagen der Optik und Photonik in einem Werk vereint * Geschrieben von hervorragenden Didaktikern mit langer Lehrerfahrung: optische Phänomene und deren Physik stehen im Vordergrund, der notwendige mathematische Apparat wird behutsam entwickelt * Überarbeitet und erweitert: alle Kapitel wurden mit Blick auf noch bessere Verständlichkeit kritisch geprüft und aktualisiert * Komplett neu: umfangreiches Kapitel zu Metamaterialoptik "Optik und Photonik" richtet sich an Bachelor- und Master-Studierende der Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.

Professor Bahaa E.A. Saleh promovierte 1971 an der Johns Hopkins Universität, Baltimore, Maryland, im Fach Elektrotechnik. Nach unterschiedlichen internationalen Forschungs- und Lehrtätigkeiten im In- und Ausland wechselte er 1994 an die Universität Boston als Direktor des Instituts für Elektro- und Computertechnik. Er ist Ehrenmitglied des IEEE und der Optical Society of America. Professor Saleh's Forschung umfasst die Gebiete Bildverarbeitung, optische Signalverarbeitung, statistische Optik, optische Kommunikation und Sehkraft. Professor Malvin C. Teich promovierte 1966 an der Cornell Universität in Ithaca, New York. Seit 1995 ist er als Professor für Elektro- und Computertechnik, Physik und Biomedizintechnik an der Universität Boston tätig. Professor Teich war Mitherausgeber der Zeitschrift Quantum Optics; er ist Ehrenmitglied der Optical Society of America sowie der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft. Seine Forschung umfasst u.a. die Gebiete Photonik, Quantenoptik und Bildgebung, Wavelets sowie fraktale stochastische Prozesse.

Vorwort zur dritten Auflage xix

Vorwort zur zweiten Auflage xxiii

Teil I Optik 1

1 Strahlenoptik 3

1.1 Postulate der Strahlenoptik 4

1.2 Einfache optische Komponenten 6

1.3 Gradientenindexoptik 14

1.4 Matrizenoptik 19

2 Wellenoptik 29

2.1 Die Postulate der Wellenoptik 30

2.2 Monochromatische Wellen 31

2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 35

2.4 Einfache optische Komponenten 36

2.5 Interferenz 42

2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 49

3 Optik von Strahlbündeln 57

3.1 Der Gaußstrahl 57

3.2 Durchgang durch optische Komponenten 64

3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 70

3.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 72

3.5 Nichtbeugende Strahlen 74

4 Fourieroptik 79

4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 80

4.2 Die optische Fouriertransformation 88

4.3 Lichtbeugung 91

4.4 Bildentstehung 98

4.5 Holographie 105

5 Elektromagnetische Optik 117

5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 118

5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 121

5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 124

5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 126

5.5 Absorption und Dispersion 130

5.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 137

5.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 143

6 Polarisationsoptik 151

6.1 Die Polarisation des Lichts 152

6.2 Reflexion und Brechung 159

6.3 Die Optik anisotroper Medien 163

6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 172

6.5 Optik von Flüssigkristallen 175

6.6 Polarisierende Bauelemente 177

7 Optik photonischer Kristalle 185

7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 187

7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 200

7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 211

8 Optik von Metallen und Metamaterialien 221

8.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 223

8.2 Optik von Metallen: Plasmonik 234

8.3 Optik von Metamaterialien 245

8.4 Transformationsoptik 253

9 Wellenleiteroptik 261

9.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 262

9.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 267

9.3 Zweidimensionale Wellenleiter 273

9.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 276

9.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 282

9.6 Plasmonische Wellenleiter 283

10 Faseroptik 289

10.1 Geführte Strahlen 290

10.2 Geführte Wellen 293

10.3 Dämpfung und Dispersion 306

10.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 314

10.5 Materialien für optische Fasern 316

11 Resonatoroptik 321

11.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 323

11.2 Kugelspiegelresonatoren 330

11.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 337

11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 340

12 Statistische Optik 349

12.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 350

12.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 359

12.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 364

12.4 Partielle Polarisation 370

13 Photonenoptik 377

13.1 Das Photon 378

13.2 Photonenströme 387

13.3 Quantenzustände des Lichts 396

Teil II Photonik 411

14 Licht und Materie 413

14.1 Energieniveaus 413

14.2 Die Besetzung von Energieniveaus 428

14.3 Die Wechselwirkung von Photonenmit Atomen 430

14.4 Thermisches Licht 443

14.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 446

15 Laserverstärker 457

15.1 Theorie der Laserverstärkung 459

15.2 Pumpen des Verstärkers 461

15.3 Verbreitete Laserverstärker 468

15.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 476

15.5 Verstärkerrauschen 480

16 Laser 485

16.1 Theorie der Laseroszillation 486

16.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 490

16.3 Bauarten von Lasern 500

16.4 Gepulste Laser 523

17 Halbleiteroptik 543

17.1 Halbleiter 544

17.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 569

18 LED und Laserdioden 585

18.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 586

18.2 Optische Halbleiterverstärker 607

18.3 Laserdioden 618

18.4 Quanteneinschlusslaser 627

18.5 Mikroresonatorlaser 636

18.6 Nanoresonatorlaser 642

19 Photodetektoren 651

19.1 Photodetektoren 652

19.2 Photoleiter 660

19.3 Photodioden 663

19.4 Lawinenphotodioden 669

19.5 Arraydetektoren 679

19.6 Rauschen in Photodetektoren 681

20 Akustooptik 705

20.1 DieWechselwirkung von Licht und Schall 706

20.2 Akustooptische Bauelemente 714

20.3 Akustooptik von anisotropen Medien 721

21 Elektrooptik 727

21.1 Grundlagen der Elektrooptik 728

21.2 Elektrooptik anisotroper Medien 737

21.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 742

21.4 Photorefraktivität 749

21.5 Elektroabsorption 753

22 Nichtlineare Optik 759

22.1 Nichtlineare optische Medien 760

22.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 763

22.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 775

22.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 782

22.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 789

22.6 Anisotrope nichtlineare Medien 794

22.7 Dispersive nichtlineare Medien 796

23 Ultraschnelle Optik 803

23.1 Eigenschaften von Pulsen 804

23.2 Pulsformung und Kompression 810

23.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 821

23.4 Ultraschnelle lineare Optik 831

23.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 838

23.6 Pulsdetektion 854

24 Optische Verbindungen und Schalter 869

24.1 Optische Verbindungen 871

24.2 Passive optische Router 881

24.3 Photonische Schalter 887

24.4 Photonische Logikgatter 908

25 Faseroptische Kommunikation 919

25.1 Faseroptische Komponenten 920

25.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 931

25.3 Modulation und Multiplexing 945

25.4 Kohärente optische Kommunikation 952

25.5 Faseroptische Netze 958

Anhang A Die Fouriertransformation 969

A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 969

A.2 Zeitliche und spektrale Breite 970

A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 973

Anhang B Lineare Systeme 977

B.1 Eindimensionale lineare Systeme 977

B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 979

Anhang C Die Moden linearer Systeme 981

C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 982

C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 982

C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 983

C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 984

Lösungen zu den Übungen 987

1 Strahlenoptik987

2 Wellenoptik 992

3 Optik von Strahlbündeln 994

4 Fourieroptik 996

5 Elektromagnetische Optik 998

6 Polarisationsoptik 998

7 Optik photonischer Kristalle 999

9 Wellenleiteroptik 999

10 Faseroptik 1000

11 Resonatoroptik 1002

12 Statistische Optik 1003

13 Photonenoptik 1004

14 Licht und Materie 1005

15 Laserverstärker 1006

16 Laser 1008

17 Halbleiteroptik 1010

18 LED und Laserdioden 1012

19 Photodetektoren 1014

20 Akustooptik 1015

21 Elektrooptik 1016

22 Nichtlineare Optik 1016

23 Ultraschnelle Optik 1020

24 Optische Verbindungen und Schalter 1020

Stichwortverzeichnis 1023