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.
Table of Content
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 Die Wechselwirkung 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
About the author
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.
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