Photonik

(1) Was versteht man unter den Begriffen “Photonik” und “Optoelektronik”?

Photonik: Lehre des Licht - Verwendung von Licht als Informations und Energieträger

Optoelektronik: Optik + Halbleiterelektronik - Verfahren zur Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten in Licht und umgekehrt.

(2) Erklären und nennen Sie die Wellengleichung (im Vakuum) für das elektrische Feld sowie auch für das magnetische Feld (mag. Flussdichte). Nennen und skizzieren Sie Lösungen der Wellengleichung im Vakuum.

Wellengleichung beschreibt die Ausbreitung eines eitlich veränderlichen elektrischen Feldes(r,t) im Vakumm mit der Lichtgeschw. c

(3) Erklären Sie Ausbreitung einer ebenen elektromagnetischen Welle (im Vakuum) in eine beliebige Richtung (mit Skizze). Was versteht man unter dem Ausbreitungsvektor (Erklärung, Definition und Formel)?

Ausbreitung:
Eine ebene Welle breitet sich in Richtung des Ausbreitungsvektors k aus.
Das elektrische Feld E und das magnetische Feld B stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und zueinander.
Die Felder schwingen sinusförmig.


Ausbreitungsvektor:
Zeigt in Richtung der Wellenfortpflanzung
k = k*n mit k=2pi/lambda

In jeder Raumrichtung gilt: Die elektromagnetische Welle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit c entlang k aus – dabei schwingen E und B orthogonal dazu.

(4) Erklären Sie den Begriff „Polarisation einer elektromagnetischen Welle“.

Was versteht man unter einer „unpolarisierten Welle“ bzw. unter unpolarisiertem Licht?

Was versteht man unter einer linear polarisierten, zirkular polarisierten sowie elliptisch polarisierten Welle (Erklärungen mit Skizze)?

Die Polarisation beschreibt die Richtung der Schwingung des elektrischen Feldvektors E einer elektromagnetischen Welle, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Unpolarisiertes Licht: Schwingungsrichtungen des E-Feldes wechseln zufällig über die Zeit. Beispiel: Sonnenlicht.

Linear polarisiertes Licht: E schwingt in einer konstanten Richtung (z. B. x oder y). Die E-Komponenten sind in Phase.

Zirkular polarisiertes Licht: E-Vektor dreht sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in einer Ebene, Betrag von E ist konstant. Voraussetzung: gleiche Amplituden in x und y, 90° Phasenverschiebung.

Elliptisch polarisiertes Licht: Allgemeinster Fall. E-Vektor beschreibt eine Ellipse. Unterschiedliche Amplituden oder andere Phasenverschiebung ≠ 90°.

(5) Wie kann das Magnetfeld einer elektromagnetischen Welle berechnet werden, wenn das entsprechende elektrische Feld bekannt ist?

Wie stehen bei einer ebenen elektromagnetischen Welle (im Vakuum) der elektrische und magnetische Feldvektor zu einander und wie zum Ausbreitungsvektor?

Bei einer ebenen EM-Welle im Vakuum gilt:

(6) Erklären Sie den Energietransport durch elektromagnetische Wellen. Was versteht man unter dem Poynting Vektor (Erklärung mit Skizze, Definition, Formel, Einheit)? Was gibt der Betrag und was gibt die Richtung des Poynting Vektors an?

Elektromagnetische Wellen transportieren Energie durch das Zusammenspiel von elektrischem Feld 𝐸⃗ und magnetischem Feld 𝐵⃗

 

Poynting-Vektor S beschreibt die Energieflussdichte (Energie pro Zeit und Fläche):

Richtung: Richtung des Energieflusses (→ Ausbreitungsrichtung)

Betrag: transportierte Leistung pro Fläche

(7) Zeigen Sie, dass der Poynting Vektor als Vektor des Energieflusses pro Flächeneinheit dargestellt werden kann (Ableitung siehe VO-Unterlagen).

(8) Erklären Sie die Begriffe „Strahlungsdruck & Impulstransport“ durch elektromagnetische Wellen (Erklärung, Formeln, Einheit).

Strahlungsdruck:

• Elektromagnetische Wellen tragen Impuls → beim Auftreffen auf eine Fläche entsteht ein Druck.

• Dieser Druck wirkt durch Absorption oder Reflexion des Lichts.

• Formel: p=S/p

  • S: Poynting Vektor

  • c: Lichtgeschw.

Impulstransport:

• Elektromagnetische Wellen transportieren Energie und Impuls.

• Der Impulsfluss ist mit dem Poynting-Vektor verknüpft.

• Impulsdichte g⃗\vec{g}g​ ist proportional zum Energiefluss:

• Formel: g= S/c²

  • g: Impulsdichte

(9) Was versteht man unter der Besetzungsdichte eines Energieniveaus und was unter einer Besetzungsinversion?

Besatzungsdichte
Anzahl der Teilchen pro Volumen, die sich im Energieniveau E_i befinden
→ Einheit: [1/m³]

Besetzungsinversion
Zustand, bei dem mehr Teilchen im oberen als im unteren Niveau befinden

→ Voraussetzung für stimulierte Emission und damit Laserbetrieb.

(10) Wie sind in einem thermischen Gleichgewicht die Besetzungsdichten der Energieniveaus charakterisiert (Boltzmann-Verteilung, Erklärung mit Skizze)?

Wie sind die Besetzungsdichten bei einer Besetzungsinversion verteilt (Erklärung mit Skizze)?

Boltzmann-Verteilung

• N1>N2: Mehr Teilchen im Grundzustand

• Gilt bei normaler Temperaturverteilung

• Exponentiell weniger Teilchen in höheren Energieniveaus

• Höheres Niveau → deutlich kleinere Besetzungsdichte

Besetzungsinversion:

• Nicht natürlich, nur durch Pumpen erreichbar

• Erforderlich für Lasereffekt (stimulierte Emission)

• Angeregter Zustand stärker besetzt als Grundzustand

(11) Erklären Sie die Begriffe Absorption, Transmission und Reflexion.

Absorption: Licht wird aufgenommen
Transmission: Licht geht durch
Reflexion: Licht wird zurückgeworfen

(12) Was bedeutet bzw. was versteht man unter einem LASER?

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung

Ein Laser ist eine Lichtquelle, die durch stimulierte Emission
von Photonen kohärentes, gerichtetes und monochromatisches Licht erzeugt.

• Kohärent (gleichphasig)

• Monochromatisch (eine Wellenlänge)

• Gebündelt (geringe Divergenz)

• Intensiv (hohe Leistungsdichte)

(13) Wie entsteht Laserlicht und was sind die „besonderen Eigenschaften“ von Laserlicht?

• Pumpe erzeugt Besetzungsinversion

• Ein Photon löst stimulierte Emission aus → erzeugt identisches Photon

• Resonator mit Spiegeln verstärkt Licht durch Reflexion

• Teil des Lichts tritt als Laserstrahl aus

• Monochromatisch
  → Eine schmale Wellenlänge

• Kohärent
  → Gleiche Phase & Frequenz

• Räumlich gebündelt
  → Sehr kleiner Divergenzwinkel

• Intensiv
  → Hohe Leistungsdichte auf kleiner Fläche

(14) Was unterscheidet Laserlicht vom herkömmlichen Licht?

• Kohärent: gleichphasig → herkömmlich: inkohärent

• Monochromatisch: eine Farbe → herkömmlich: breites Spektrum

• Gebündelt: parallel → herkömmlich: diffus

• Intensiv: hohe Leistungsdichte → herkömmlich: schwach

• Entstehung: stimulierte Emission → herkömmlich: spontane Emission

(15) Erklären Sie die Begriffe Absorption, spontane und induzierte Emission (mit Skizze).

• Absorption
Photon wird vom Atom aufgenommen → Elektron springt von E1 nach E2.

• Spontane Emission
Elektron fällt von E2​ nach E1​ → Photon wird zufällig emittiert.

• Induzierte Emission
Photon trifft angeregtes Atom → zweites, identisches Photon wird emittiert (Laserprinzip).

(16) Was sind die „wesentlichen Merkmale“ der spontanen und der induzierten Emission (Erklärungen mit Skizze)?

Spontane Emission

• Ohne äußeren Einfluss

• Photon in zufälliger Richtung, Phase, Zeitpunkt

• Inkoherent

• Grundlage für z.B. Glühlampen

Induzierte Emission

• Durch Photon ausgelöst

• Emittiertes Photon ist identisch (Richtung, Phase, Frequenz)

• Kohärent

• Grundlage für Laser

(17) Warum ist es (unabhängig vom Lasermaterial) schwieriger einen kurzwelligen als einen langwelligen Laser zu bauen? (siehe Kombination der drei Prozesse)

Weil bei kurzen Wellenlängen (hoher Frequenz) die spontane Emission viel häufiger auftritt als die induzierte.

Folge:

→ Mehr Verluste durch spontane Emission,

→ schlechtere Verstärkung,

→ Laseraufbau schwerer bei UV, Röntgen etc.

(18) Wie kann die Verstärkung (G) bzw. die differentielle Verstärkung (g) bestimmt werden?

(19) Erklären Sie unter welchen Bedingungen eine Verstärkung im Laser stattfinden kann.

Wenn Besetzungsinversion vorliegt:

N2>N1​

Dann ist die induzierte Emission stärker als die Absorption.

Verstärkungsbedingung:

g=σ(N2−N1) > 0

Ohne Inversion → keine Verstärkung → kein Laserbetrieb.

(20) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Zwei-Niveausystem, Drei- und Vier Niveausystem (ohne Formeln, nur kurze Erklärung). Ist es möglich mit einem Zwei Niveausystem einen Laser zu konstruieren (mit kurzer Erklärung)?

Zwei-Niveausystem:

Elektronen werden direkt vom Grundzustand angeregt und müssen sofort zurück –

→ keine dauerhafte Besetzungsinversion möglich

→ Laserbetrieb nicht möglich

Drei-Niveausystem:

Elektronen werden auf ein hohes Niveau angeregt und fallen schnell auf ein lasertaugliches, metastabiles Niveau

→ dort entsteht Inversion

→ Laserbetrieb möglich, aber aufwendig

Vier-Niveausystem:

Zusätzlich gibt es einen Zwischenzustand unterhalb des Laserniveaus

→ Inversion lässt sich leichter erreichen

→ effizientester Lasertyp

(21) Ist es möglich mit einem Drei- bzw. Vier-Niveausystem einen Laser zu konstruieren (nur kurzer Erklärung)? Was sind die Vorteile eines Vierniveaulasers gegenüber einem Dreiniveaulaser (nur kurze Erklärung)?

Ja, mit Drei- und Vier-Niveausystemen kann man Laser bauen.

Beide ermöglichen eine Besetzungsinversion.

Vorteil Vier-Niveausystem:

Das untere Laserniveau ist fast leer →

Inversion ist leichter erreichbar als beim Dreiniveausystem →

effizienterer Laserbetrieb.

(22) Erklären Sie den prinzipiellen Aufbau eines Lasers (3 Komponenten eines Lasers, Erklärungen mit Skizze).

Aktives Medium:

Lichtverstärkendes Material (Gas, Festkörper, Halbleiter),

in dem durch Besetzungsinversion Photonen erzeugt werden.

Pumpeinrichtung:

Bringt Energie in das Medium (z. B. Licht, Strom),

um Atome in den angeregten Zustand zu heben.

Resonator:

Zwei Spiegel, die Licht im Medium reflektieren,

→ Verstärkung durch induzierte Emission

→ ein Spiegel ist teiltransparent → Laserstrahl tritt aus

(23) Erklären Sie die Voraussetzung für einen Laserprozess (zwei Laserbedingungen, mit Skizze).

• Besetzungsinversion:
  Mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand
  → N2>N1N_2 > N_1N2​>N1​
  → nötig für Netto-Verstärkung durch induzierte Emission

• Optische Resonanz & Anschwingbedingung:
  Ein Resonator (z. B. zwei Spiegel) sorgt für Rückkopplung.
  Anschwingbedingung:
  Die Verstärkung pro Umlauf muss mindestens die Verluste im Resonator kompensieren, sonst beginnt der Laser nicht zu schwingen.

(24) Wie erfolgt Lichtverstärkung (Strahlungsverstärkung in einem Resonator)?

• Ein Photon regt im aktiven Medium ein angeregtes Atom zur induzierten Emission an.

• Dabei entsteht ein zweites identisches Photon (gleiche Richtung, Frequenz, Phase).

• Durch wiederholte Reflexion zwischen den Spiegeln des Resonators

→ läuft das Licht mehrfach durch das Medium

→ wird bei jedem Durchgang weiter verstärkt, solange N2>N1

• Ein Spiegel ist teiltransparent:

Ein Teil des verstärkten Lichts tritt als Laserstrahl aus.

(25) Erklären Sie die Begriffe Linienbreite und Linienform eines Lasers? Was sind die Ursachen für die Linienverbreiterung eines Lasers? (nur kurzen Erklärungen)

• Linienform:
Gibt den Verlauf der Intensität über die Frequenz eines Laserübergangs an.

• Linienbreite (Δν):
Gibt an, über welchen Frequenzbereich der Laserstrahl ausgesendet wird.

Ursachen für Linienverbreiterung:

1. Natürliche Linienbreite:
Durch endliche Lebensdauer des angeregten Zustands (Unschärferelation).

2. Dopplerverbreiterung:
Durch Bewegung der Atome → Frequenzverschiebung (Temperaturabhängig).

3. Druck- bzw. Stoßverbreiterung:
Kollisionen zwischen Teilchen verschieben oder verbreitern Energieniveaus.

4. Instrumentelle Verbreiterung:
Begrenzung durch das Messgerät oder Resonatorqualität.

(26) Was versteht man unter einem Laserresonator? Wofür wird ein Laserresonator benötigt? Welche Art von Moden können in einem Resonator angeregt werden? Was versteht man unter einem stabilen bzw. unter einem instabilen Resonator?

• Laserresonator:
Eine Anordnung aus zwei Spiegeln, zwischen denen Licht mehrfach reflektiert wird.
Er bildet die optische Rückkopplungsschleife für die Verstärkung.

• Zweck:
Verstärkung des Lichts durch mehrfache Durchläufe im aktiven Medium → Voraussetzung für Laserstrahlung.
Nur bestimmte Frequenzen und Moden werden dabei verstärkt.

• Modenarten im Resonator:

1. Longitudinale Moden:

Entstehen durch stehende Wellen längs der Resonatorachse (abhängig von Resonatorlänge).

2. Transversale Moden (TEM):

Beschreiben Intensitätsverteilung quer zur Ausbreitungsrichtung.

• Stabiler Resonator:
Das Licht bleibt im Resonator eingeschlossen, d. h. es fokussiert sich selbst bei Reflexion immer wieder im aktiven Medium.

• Instabiler Resonator:
Das Licht verlässt den Resonator nach wenigen Umläufen, z. B. bei ungünstiger Spiegelkrümmung oder Anordnung.

(27) Was versteht man unter „axialen (longitudinalen) Moden“? Erklären Sie die Begriffe Resonanzbedingung für axiale Moden, Modenfrequenz und Frequenzabstand (mit Skizze und Formeln)?

(28) Was versteht man unter den „transversalen Moden“ eines Resonators? Wie kommen diese zustande?

Transversale Moden (TEM-Moden) beschreiben die Intensitätsverteilung quer zur Ausbreitungsrichtung im Resonator.

Sie entstehen durch Beugung und Interferenz des Lichts im Resonator quer zur optischen Achse.

(29) Erklären Sie die Begriffe kontinuierlicher Betrieb und Pulsbetrieb eines Lasers (Erklärungen mit Skizze und Formeln). Erklären Sie den Unterschied zwischen dem kontinuierlichen Betrieb und dem Pulsbetrieb eines Lasers (mit Skizzen).

Kontinuierlicher Betrieb
- Laser gibt dauerhaft und gleichmäßig Strahlung ab.
- Erzeugung eines konst. Lichtstroms bei stabiler Besetzungsinversion.
- P_cw = Konst.

Pulsbetrieb
- Laser gibt kurze, intensive Lichtpulse
- Energie wird über Zeit aufgestaut und in einem kurzen Zeitintervall freigesetzt

Formen:
- Q-Switching: Pulse von ns-us Dauer, hohe Peakleistung

• Mode Locking: ultrakurze Pulse fs-ps mit sehr hoher Spitzenleistung

(30) Erklären Sie die Begriffe Pulsdauer, Pulsfolgefrequenz, Impulspause und Halbwertsbreite (mit Skizze und Formeln).

Pulsdauer τ
Zeit, in der ein einzelner Laserpuls abgestrahlt wird.

Pulsfolgefrequenz f:

Anzahl der Pulse pro Sekunde

f=1/T

Impulspause:

Zeit zwischen zwei Pulsen ohne Strahlung

Pause=T−τ

Halbwertsbreite (FWHM):

Breite eines Pulses bei halber Maximalhöhe

31) Erklären Sie die Begriffe Durchschnittsleistung, (Impuls-)Spitzenleistung und Pulsenergie (mit Skizze und Formeln).

(32) Erklären Sie wie man die „kürzeste Pulsdauer“ eines Lasers abschätzen kann (mit Formel).

(33) Nennen Sie die wichtigsten Strahlparameter (systemgegebene und steuerbare Parameter) eines Lasers.

(34) Nennen und erklären Sie die wichtigsten Methoden um gepulste Laserstrahlung (Methoden um Lichtimpulse) zu erzeugen.

(35) Was versteht man unter einem durchstimmbaren/abstimmbaren Laser? Welche Methoden kennen Sie um die Wellenlängenbereiche von Lasern zu vergrößern? (nur die Methoden ohne Erklärung)

(36) Erklären Sie die Begriffe Frequenzverdoppelung, Frequenzverdreifachung und Frequenzmischung (mit Skizzen).

(37) Welche Möglichkeiten werden verwendet um die Vielzahl an verschiedenen Laser zu klassifizieren? Geben Sie eine „grobe“ Einteilung der wichtigsten Lasertypen nach Aggregatzustand des Lasermaterials an.

Klassifikation nach:

• Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig)

• Betriebsart (kontinuierlich/pulsed)

• Wellenlänge

• Lasermedium

• Pumpeinrichtung

• Anwendung

Grobe Einteilung nach Aggregatzustand:

• Gaslaser: z. B. He-Ne, CO₂

• Festkörperlaser: z. B. Nd:YAG, Rubinlaser

• Flüssiglaser: z. B. Farbstofflaser

Halbleiterlaser: z. B. Laserdiode

(38) Auf welche Arten kann die Energieübertragung von den Elektronen auf die Laser-Atome erfolgen? Erklären Sie wie Stöße erster sowie Stöße zweiter Art erfolgen und erklären Sie auch die Unterschiede zwischen den beiden Arten.

Erfolgt durch Stöße von Elektronen mit Atomen oder Molekülen im Lasermedium, z. B. bei Gaslasern.

• Stoß 1. Art:
Ein Elektron stößt mit einem Atom zusammen und überträgt direkt Energie, sodass ein Elektron im Atom angeregt wird.

• Stoß 2. Art:
Ein Elektron regt zunächst ein anderes Gasatom (z. B. Helium) an →

Dieses gibt die Energie in einem nicht-elastischen Stoß an das Laseratom (z. B. Neon) ab → indirekte Anregung

Unterschied:

1. Art: direkte Anregung

2. Art: indirekte Anregung über ein Hilfsgas

(39) Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise eines Gaslasers am Beispiel des CO2-Lasers (mit Skizze). Nennen Sie auch einige weitere Beispiele von Gaslasern?

(39) Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise eines Gaslasers am Beispiel des CO2-Lasers (mit Skizze). Nennen Sie auch einige weitere Beispiele von Gaslasern?

(41) Was versteht man unter dem Begriff „Halbleiter“? Worin liegen die wesentlichsten Unterschiede zwischen einem Leiter, Halbleiter und einem Isolator? Skizzieren Sie die entsprechenden (vereinfachten) Banddiagramme dazu.

Halbleiter:
Ein Material mit geringer Bandlücke zwischen Valenzband und Leitungsband.
→ Bei Zufuhr von Energie (z. B. Wärme, Licht) können Elektronen angeregt werden → leitfähig.

Unterschiede:
- Ein Leiter hat keine Bandlücke, Valenz- und Leitungsband überlappen → er leitet immer.

- Ein Halbleiter hat eine kleine Bandlücke (~1 eV), seine Leitfähigkeit ist temperatur- und dotierungsabhängig.

- Ein Isolator hat eine große Bandlücke (> 5 eV), Elektronen können unter normalen Bedingungen nicht angeregt werden → keine Leitfähigkeit.

(42) Was versteht man unter einem Banddiagramm? Was versteht man unter einem Elektron Loch Paar?

• Ein Banddiagramm zeigt die Energieverteilung in einem Festkörper – insbesondere die Valenzband, Leitungsband und ggf. Bandlücke Eg.

• Ein Elektron-Loch-Paar entsteht, wenn ein Elektron vom Valenz- ins Leitungsband angeregt wird.

→ Das Elektron hinterlässt ein Loch (fehlendes Elektron) im Valenzband.

(43) Nennen Sie einige Beispiele zu elementaren sowie zu kombinierten Halbleitern.

Elementare Halbleiter: Silizium (Si), Germanium (Ge)

Kombinierte Halbleiter (Verbindungshalbleiter):

Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Gallium-Nitrid (GaN)

(44) Erklären Sie die Begriffe „indirekter Halbleiter“ sowie „direkter Halbleiter“ und skizzieren Sie die entsprechenden Banddiagramme dazu.

• Direkter Halbleiter: Minimum des Leitungsbands und Maximum des Valenzbands liegen beim gleichen Impuls (k) → strahlende Rekombination ist möglich (z. B. GaAs).

• Indirekter Halbleiter: Die Bandkanten liegen bei verschiedenen k-Werten → Rekombination erfordert zusätzlich ein Phonon (z. B. Si).
  → Keine effiziente Lichtemission.

(45) Erklären Sie wie man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen kann?

• Durch Dotierung mit Fremdatomen:

  • n-Dotierung: Elektronenspender (z. B. Phosphor in Si)

  • p-Dotierung: Elektronenakzeptoren (z. B. Bor in Si)

• Durch Temperaturerhöhung (thermische Anregung)

• Durch optische Anregung (Licht) oder elektrisches Feld

(46) Wie kann die Emissionswellenlänge (Arbeitswellenlänge) von Halbleiter-Sendeelementen bestimmt werden? Was wird unter der „spektralen Breite“ eines Halbleiter-Sendeelements verstanden und wie kann diese bestimmt werden?

• Spektrale Breite:
  Bereich um die Hauptemissionswellenlänge, in dem Licht emittiert wird
  → hängt von Temperatur, Material, Struktur ab
  → kann z. B. mit einem Spektrometer gemessen werden

(47) Können Laser auf Siliziumbasis realisiert werden (erklären bzw. begründen Sie Ihre Antwort)?

Nein, klassisches Silizium ist ein indirekter Halbleiter →
strahlende Rekombination ist ineffizient → kein effektiver Laserbetrieb.

48) Nennen Sie einige Halbleitermaterialien welche verwendet werden um LED‘s sowie Halbleiterlaser zu realisieren. Welche grundsätzlichen Bauformen werden für LEDs sowie Laserdioden verwendet (mit Skizzen)?

Materialien für LEDs und Laserdioden:

• LEDs:

  • Galliumarsenid (GaAs)

  • Galliumphosphid (GaP)

  • Galliumarsenidphosphid (GaAsP)

  • Indiumgalliumnitrid (InGaN)

  • Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)

• Halbleiterlaser:

  • Galliumarsenid (GaAs)

  • Indiumphosphid (InP)

  • Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs)

  • Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP)

  • GaN, InGaN (für blau/UV)

Bauformen:

• kantenemittierend (Edge Emitter): Licht tritt seitlich aus

• oberflächenemittierend (VCSEL – Vertical Cavity Surface Emitting Laser): Licht tritt senkrecht zur Oberfläche aus

(49) Erklären Sie die Begriffe binäre, ternäre und quaternäre Halbleiter-Materialien.

• Binär: Halbleiter aus zwei Elementen
  → z. B. GaAs, InP, GaN

• Ternär: Mischung aus drei Elementen
  → z. B. AlGaAs, InGaN

• Quaternär: Mischung aus vier Elementen
  → z. B. InGaAsP
  → Ermöglicht feine Abstimmung von Gitterkonstante und Bandlücke

(50) Erklären Sie den Unterschied zwischen einem direkten und einem indirekten Halbleiter (mit Skizze). Nennen Sie Beispiele von direkten und indirekten Halbleitern. Werden direkte oder indirekte Halbleiter verwendet um Lichtquellen wie z.B. LEDs oder Laserdioden herzustellen?

Direkter Halbleiter:

• Minimum des Leitungsbands und Maximum des Valenzbands liegen bei gleichem Impuls (k)

• Elektronen können direkt unter Photonenemission rekombinieren

• → effiziente Lichtemission

Indirekter Halbleiter:

• Bandkanten liegen bei unterschiedlichen Impulsen (k)

• Rekombination erfordert zusätzlich ein Phonon (Gitterschwingung)

• → ineffiziente Lichtemission

Beispiele:

• Direkte Halbleiter: GaAs, InP, GaN, InGaN

• Indirekte Halbleiter: Si, Ge

Verwendung:
Nur direkte Halbleiter werden für Lichtquellen wie LEDs und Laserdioden eingesetzt, da sie effizient Licht emittieren.

(51) Erklären Sie wie man die „Arbeitswellenlänge“ einer LED bzw. einer Laserdiode mittels der Bandlückenenergie bestimmen kann. Wie kann die spektrale Breite einer LED bzw. einer Laserdiode berechnet werden?

Größere Bandlücke → kürzere Wellenlänge.
Größere Temperatur → breitere Spektrallinie.

(52) Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Laserdiode. Stellen Sie den typischen Verlauf der Kennlinie sowie die Abstrahlcharakteristik einer Laserdiode graphisch dar und erklären Sie diese.

Welchen Einfluss hat eine Änderung der Umgebungs-Temperatur auf die optische Ausgangsleistung einer Laserdiode?

Nennen Sie einige Einsatzgebiete/Anwendungs beispiele wofür Laserdioden verwendet werden.

Aufbau & Funktionsweise:

Eine Laserdiode ist ein Halbleiterlaser mit einem p-n-Übergang aus einem direkten Halbleiter (z. B. GaAs).

Durch Vorwärtsspannung wird eine Besetzungsinversion erzeugt →

Elektronen rekombinieren mit Löchern → Photonenemission.

Der integrierte Resonator (z. B. durch cleave-Flächen oder Bragg-Spiegel) sorgt für Lichtverstärkung.

Das Licht wird kohärent und gerichtet abgegeben.

Einfluss der Temperatur:

• Höhere Temperatur → geringere Ausgangsleistung, da:

  • Schwellstrom steigt

  • Quanteneffizienz sinkt

  • Verstärkung des Mediums sinkt

• Emissionswellenlänge verschiebt sich leicht nach längerer Wellenlänge (Redshift)

Einsatzgebiete:

• Telekommunikation (z. B. Glasfaser)

• Barcode-Scanner

• CD/DVD/Blu-ray-Laufwerke

• Entfernungsmessung, Lidar

• Pumpquelle für Festkörperlaser (z. B. in Nd:YAG-Systemen)

(53) Erklären Sie den Begriff „differentieller Quantenwirkungsgrad ηd“ in Zusammenhang mit Laserdioden. Was kann aus der Kenntnis des differentiellen Quantenwirkungsgrades geschlossen bzw. abgelesen werden?

Der differentielle Quantenwirkungsgrad ηd\eta_dηd​ beschreibt, wie effizient ein elektrisches Ladungsträgerpaar (Elektron-Loch) in ein Photon umgewandelt wird – bezogen auf zusätzliche Träger über der Laserschwelle.

Bedeutung:

• Gibt an, wie viele zusätzliche Photonen pro zusätzlichem Elektron erzeugt werden.

• Werte nahe 1 (bzw. 100 %) bedeuten: hohe Effizienz

• Aus ηd\eta_dηd​ lässt sich die Qualität der internen Prozesse und Verluste der Laserdiode abschätzen.

(54) Erklären Sie den Begriff „Interner Quantenwirkungsgrad ηi“. Was kann aus der Kenntnis des Internen Quantenwirkungsgrades geschlossen bzw. abgelesen werden?

Der interne Quantenwirkungsgrad ηi\eta_iηi​ gibt an, welcher Anteil der rekombinierenden Elektron-Loch-Paare tatsächlich ein Photon erzeugt (also strahlend rekombiniert).

Bedeutung:

• Je näher ηi\eta_iηi​ an 1, desto effizienter ist das aktive Material bei der Photonenerzeugung.

• Ein niedriger ηi\eta_iηi​ weist auf hohe nicht-strahlende Verluste (z. B. Wärme, Defekte) hin.

• Aus ηi\eta_iηi​ kann man die Materialqualität und das Potenzial für hohe Effizienz bewerten.

(55) Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Lumineszenzdiode (LED). Stellen Sie den typischen Verlauf der Kennlinie sowie die Abstrahlcharakteristik einer LED graphisch dar und erklären Sie diese. Worin liegen die Unterschiede sowie die Gemeinsamkeiten einer LED und einer Laserdiode in Bezug auf Aufbau, Funktionsweise, Kennlinienverlauf und Abstrahlcharakteristik?

Aufbau & Funktionsweise einer LED:

• pn-Übergang aus direktem Halbleitermaterial (z. B. GaAs, InGaN)

• Bei Vorwärtsspannung rekombinieren Elektronen mit Löchern

• Die dabei freigesetzte Energie wird als Photon abgegeben → spontane Emission

• Kein optischer Resonator

Gemeinsamkeiten:

• Beide basieren auf einem pn-Übergang

• Beide wandeln elektrische Energie in Licht um

• Beide benötigen direkte Halbleiter zur effizienten Emission

Merkmal	LED	Laserdioden
Emission	Spontan	Induzierte + spontan
Spektrum	Breit (20–50 nm)	Schmal (nm bis pm)
Kohärenz	Nein	Ja
Richtung	Diffus	Stark gerichtet
Resonator	Nein	Ja (integriert)
Kennlinie	Exponentiell, kein Schwellstrom	Linearer Anstieg ab Schwellstrom

(56) Nennen und erklären Sie die wichtigsten „Verlustmechanismen“ welche Photonen daran hindern aus einer LED auszutreten. Was versteht man unter dem Grenzwinkel der (inneren) Totalreflexion? Wie kann dieser Grenzwinkel berechnet werden?

• Innere Totalreflexion:
  Photonen, die unter zu flachem Winkel auf die Grenzfläche treffen, werden im Halbleiter reflektiert, statt auszutreten.

• Absorption im Material:
  Photonen können im Halbleiter oder in Kontaktschichten wieder absorbiert werden.

• Nicht-strahlende Rekombination:
  Elektronen und Löcher rekombinieren ohne Photonenaussendung (z. B. an Defekten oder Störstellen).

• Falsche Emissionsrichtung:
  Ein Teil des Lichts wird seitlich oder nach unten abgestrahlt und geht verloren.

Grenzwinkel der Totalreflexion:

• Photonen, die den Halbleiter in Richtung der Grenzfläche zum umgebenden Medium (z. B. Luft) verlassen wollen, tun das nur, wenn ihr Austrittswinkel kleiner als der Grenzwinkel ist.

(57) Wie kann die optische Ausgangsleistung einer LED berechnet werden (Erklärung und Angabe der Formel)? Welchen Einfluss hat eine Änderung der Umgebungs-Temperatur auf die optische Ausgangsleistung einer LED?

Einfluss der Temperatur:

• Steigende Temperatur führt zu:

  • Erhöhter nicht-strahlender Rekombination

  • Senkung des Quantenwirkungsgrads

  • Roter Verschiebung der Emissionswellenlänge

→ Die optische Ausgangsleistung sinkt bei höheren Temperaturen, selbst wenn der Strom konstant bleibt

Merksatz:
Höhere Temperatur = weniger Licht – trotz gleichem Strom.

(58) Was versteht man unter dem Begriff Lichtausbeute (Erklärung und Definition)? Wie groß ist circa die Lichtausbeute einer Weißlicht-LED (Größenordnungsbereich angeben)? Nennen Sie einige Einsatzgebiete/Anwendungsbeispiele für welche LEDs verwendet werden.

Lichtausbeute:

• Die Lichtausbeute (auch: Lichtwirkungsgrad) gibt an, wie effizient eine Lichtquelle elektrische Leistung in sichtbares Licht umwandelt.

Typische Werte für Weißlicht-LEDs:

• ca. 100–200 lm/W (je nach Effizienzklasse, Farbe, Bauform)

• Hochleistungs-LEDs (Labor): bis ca. 250–300 lm/W

Einsatzgebiete / Anwendungen von LEDs:

• Allgemeinbeleuchtung (z. B. Lampen, Straßenbeleuchtung)

• Displays (TV, Monitor, Smartphone)

• Fahrzeugscheinwerfer und Rücklichter

• Signal- und Indikationsleuchten

• Infrarot-LEDs für Fernbedienungen, Sensorik

• Medizinische Beleuchtung und Diagnostik

• Pflanzenbeleuchtung (Horticulture)

Merksatz:
Mehr Licht pro Watt = bessere Lichtausbeute.

(59) Erklären Sie den „Inneren Photoelektrischen Effekt“ (Erklärungen mit Skizze). Nennen Sie einige Beispiele von Photo-Detektoren die den „Inneren Photoelektrischen Effekt“ benützen.

Innerer photoelektrischer Effekt:

• Trifft ein Photon mit ausreichender Energie auf ein Halbleitermaterial, kann es ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband anregen.

• Dadurch entsteht ein Elektron-Loch-Paar, das durch ein elektrisches Feld getrennt und als Strom messbar wird.

• → Umwandlung von Lichtenergie in elektrisches Signal innerhalb des Festkörpers

Beispiele für Detektoren mit innerem photoelektrischen Effekt:

• Photodiode (z. B. PIN-Diode, Avalanche-Diode)

• CCD-Sensoren (Kameras)

• CMOS-Sensoren

• Photowiderstände (LDRs)

• Solarzellen (technisch gesehen auch Detektoren)

(60) Skizzieren Sie spektralen Kurven V (λ) und V‘ (λ) für den Empfindlichkeitsgrad der Helligkeit (des menschlichen Auges) für Tagessehen sowie Nachtsehen.

(61) Erklären Sie die Begriffe Strahlstärke, Lichtstärke und Bestrahlungsstärke (mit Definition und Einheiten). Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der Lichtstärke und der Beleuchtungsstärke.

Merksatz:
Lichtstärke beschreibt, wie „stark“ eine Lichtquelle strahlt,
Beleuchtungsstärke, wie viel davon auf eine Fläche trifft.

(62) Erklären Sie die Begriffe Strahldichte und Leuchtdichte (mit Definition und Einheiten).

Strahldichte misst die physikalische Leistungsdichte,
Leuchtdichte misst, wie hell eine Fläche für das Auge erscheint

(63) Was versteht man unter einem Lambert-Strahler?

Ein Lambert-Strahler (auch ideale diffuse Strahlungsquelle) ist eine Fläche, die Licht in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt – bezogen auf den Raumwinkel.

• Die Leuchtdichte LLL ist in jede Richtung konstant.

• Die intensitätsverteilung folgt dem kosinusförmigen Abstrahlgesetz:

  I(θ)=I₀⋅cos⁡(θ)

Eigenschaften:

• Helligkeit erscheint aus allen Blickwinkeln gleich

• Modell für z. B. matte, diffus reflektierende Oberflächen

Merksatz:
Ein Lambert-Strahler wirkt gleich hell, egal aus welcher Richtung man schaut – aber er strahlt nicht gleich viel Energie in jede Richtung ab.

(64) Erklären Sie die Funktionsweise eines Photowiderstands (Erklärungen mit Skizze der Kennlinie).

Funktionsweise:

• Ein Photowiderstand ist ein lichtempfindlicher Halbleiterwiderstand.

• Bei Lichteinfall werden Elektronen-Loch-Paare im Material erzeugt →
  die Zahl der freien Ladungsträger steigt → Widerstand sinkt.

• Je heller das Licht, desto besser leitet der Widerstand.

• Im Dunkeln: hoher Widerstand (z. B. MΩ-Bereich)

• Im Licht: niedriger Widerstand (z. B. kΩ oder weniger)

(65) Erklären Sie die Funktionsweise von Photodioden, Pin-Photodioden und Avalanche Photodioden (mit Skizze). Erklären Sie die Unterschiede der oben genannten Photodioden und nennen Sie auch einige Einsatzgebiete/Anwendungsbeispiele für welche diese Photodioden einsetzt werden.

1. Photodiode (Standard-PN-Diode):

• Halbleiterbauelement mit pn-Übergang

• Wird im Sperrbetrieb betrieben → bei Lichteinfall entstehen Elektron-Loch-Paare →
  ein lichtabhängiger Sperrstrom fließt

• Licht → Stromsignal (photovoltaisch oder photostrombetrieben)

2. PIN-Photodiode:

• Wie Photodiode, aber mit zusätzlicher intrinsischer Schicht (i-Schicht) zwischen p- und n-Bereich

• → größere aktive Zone → höhere Empfindlichkeit und schnellere Reaktion

• Typisch für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen

3. Avalanche-Photodiode (APD):

• Spezialform der PIN-Diode, arbeitet bei hoher Sperrspannung

• Verstärkungsmechanismus durch Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt):
  ein Photon erzeugt sekundäre Ladungsträger

• → sehr hohe Empfindlichkeit, aber auch Rauschverstärkung

Merkmal	Photodiode	PIN-Photodiode	Avalanche-Photodiode
Aufbau	pn	p-i-n	p-i-n mit hoher U
Verstärkung	Nein	Nein	Ja (intern)
Geschwindigkeit	Mittel	Hoch	Hoch
Empfindlichkeit	Standard	Hoch	Sehr hoch
Betriebsspannung	Niedrig	Mittel	Hoch

Einsatzgebiete:

• Photodiode: Lichtschranken, Helligkeitssensoren, optische Fernbedienungen

• PIN-Photodiode: Glasfaser-Kommunikation, schnelle Datenerfassung, Lidar

• APD: Laserdistanzmessung, Einzelphotonenzählung, optische Spektroskopie

(66) Erklären Sie die Funktionsweise eines Photoelements an Hand einer Selenzelle (Erklärungen mit Skizze).

Funktionsweise der Selenzelle (Photovoltaik-Prinzip):

• Eine Selenzelle ist ein einfaches Photoelement, das Licht direkt in elektrische Energie umwandelt.

• Aufbau:

  • Lichtempfindliche Selen-Schicht

  • auf einem Metallträger (z. B. Eisen oder Aluminium)

  • bedeckt mit einer dünnen Goldschicht als transparentem Kontakt

• Bei Lichteinfall:

  • Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare im Selen

  • Ein internes elektrisches Feld (an der Grenzschicht) trennt die Ladungsträger

  • Es entsteht eine photovoltaische Spannung und messbarer Strom

Eigenschaften:

• Arbeitet ohne äußere Spannungsquelle (wie Solarzelle)

• Reagiert auf sichtbares Licht

• Früher in Belichtungsmessern, heute selten

(67) Erklärern Sie den Aufbau und das Funktionsprinzip eines CCD-Sensors (Erklärungen mit Skizze).

CCD = Charge Coupled Device (ladungsgekoppeltes Bauelement)
→ Ein lichtempfindlicher Bildsensor, der einfallendes Licht in elektrische Signale umwandelt.

---

Aufbau:

• Matrix aus lichtempfindlichen Pixeln auf einem Silizium-Chip

• Jedes Pixel besteht aus einer Fotodiode, die Licht in elektrische Ladung (Elektron-Loch-Paare) umwandelt

• Darüber: Isolierschicht + transparente Gate-Elektroden

Funktionsprinzip:

1. Belichtung:
   Licht trifft auf die Pixel → Ladung sammelt sich im Potentialtopf (je nach Lichtintensität)

2. Ladungstransport (Auslesen):
   Die gespeicherten Ladungen werden taktweise durch benachbarte Pixel weitergereicht („coupled“)
   → Zeile für Zeile bis zum Verstärker

3. Wandlung & Verarbeitung:
   Die gesammelte Ladung wird in Spannung umgewandelt und anschließend digitalisiert.

Merkmale:

• Hohe Bildqualität, geringe Verzerrung

• Langsamer als CMOS, aber rauschärmer

• Verwendet z. B. in Kameras, Mikroskopen, astronomischer Bildgebung

(68) Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise von Optischen Dehnmessstreifen / Faser Bragg-Dehnungsmessstreifen (Erklärungen mit Skizze). Nennen Sie die wesentlichen Vorteile von optischen DMS gegenüber elektrischen DMS.

Funktionsprinzip – Faser-Bragg-Gitter (FBG):

• In eine optische Faser wird ein periodisches Brechungsindex-Gitter eingebracht (das Bragg-Gitter).

• Wenn Licht durch die Faser läuft, wird eine bestimmte Wellenlänge reflektiert – die sogenannte Bragg-Wellenlänge:

  λ_B=2nΛ

  mit:

  • n: effektiver Brechungsindex der Faser

  • Λ: Gitterperiode

• Dehnung oder Temperaturänderung verändert Λ→ dadurch verschiebt sich λ_B
  → Diese Verschiebung ist messbar und proportional zur Dehnung

Aufbau (Skizzenbeschreibung):

• Lichtquelle → optische Faser mit eingebettetem FBG → Detektor

• Bei mechanischer Dehnung: Gitterabstand wächst → Bragg-Wellenlänge steigt

• Reflektiertes Licht zeigt wellenlängenspezifische Änderung

Vorteile gegenüber elektrischen Dehnmessstreifen:

• Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen

• Keine elektrische Versorgung im Messbereich nötig

• Sehr hohe Langzeitstabilität und Temperaturfestigkeit

• Multiplexing möglich: mehrere Sensoren entlang einer einzigen Faser

• Klein, leicht, chemisch beständig

(69) Erklären und skizzieren Sie den Aufbau einer „typischen Strecke“ für die optische Nachrichtenübertragung. Bennen Sie dabei auch die wesentlichsten Komponenten welche hierfür benötigt werden und erklären Sie deren jeweilige Aufgabe bzw. Funktion.

Komponenten einer typischen optischen Übertragungsstrecke:

1. Sender (Transmitter):

   • Laserdiode oder LED

   • Funktion: wandelt elektrische Signale in moduliertes Licht um

2. Koppelelement / Einkopplung:

   • Linsen oder Faserkoppler

   • Funktion: richtet das Licht optimal in die Glasfaser ein

3. Lichtwellenleiter (Glasfaser):

   • Singlemode (für Langstrecken), Multimode (für kurze Distanzen)

   • Funktion: verlustarme und schnelle Lichtleitung

4. Verstärker / Repeater (bei Langstrecken):

   • z. B. EDFA (Erbium Dotierter Faserverstärker)

   • Funktion: verstärkt das optische Signal ohne Rückwandlung in Elektrizität

5. Empfänger (Receiver):

   • z. B. PIN-Photodiode oder Avalanche-Photodiode

   • Funktion: wandelt Lichtsignale zurück in elektrische Signale

6. Signalverarbeitungseinheit:

   • Funktion: Verstärkung, Decodierung, Weiterverarbeitung

(70) Erklären Sie das Brechungsgesetz sowie die Totalreflexion (Erklärung mit Skizze).

Brechungsgesetz (Snelliussches Gesetz):

• Beschreibt, wie sich Licht an der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex richtungsändernd fortpflanzt.

Totalreflexion:

• Tritt auf, wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (z. B. Glas) in ein optisch dünneres Medium (z. B. Luft) übergehen will.

• Ab einem bestimmten Grenzwinkel θc\theta_cθc​ wird kein Licht mehr gebrochen, sondern vollständig reflektiert.

(71) Erklären Sie den grundlegenden Aufbau eines LWL und erklären Sie auch wie Licht damit „transportiert“ bzw. weitergleitet werden kann.

Grundlegender Aufbau eines LWL:

1. Kern (Core):

   • Dünner Glas- oder Kunststofffaden

   • Höherer Brechungsindex

   • Leitet das Licht

2. Mantel (Cladding):

   • Umgibt den Kern

   • Etwas niedrigerer Brechungsindex

   • Ermöglicht Totalreflexion an der Grenzfläche zum Kern

3. Schutzmantel / Ummantelung:

   • Mechanischer Schutz

   • Kunststoff oder weitere Faserschichten

Funktionsprinzip – Lichtleitung:

• Licht wird in einem flachen Winkel in den Kern eingekoppelt.

• An der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel tritt bei flachem Winkel Totalreflexion auf.

• Dadurch „springt“ das Licht zigfach reflektiert durch den Kern – verlustearm und schnell.

Nur möglich, wenn:

• Der Einfallswinkel < Grenzwinkel zur Totalreflexion ist

• Der Kern einen höheren Brechungsindex als der Mantel hat

Merksatz:
Licht bleibt im LWL gefangen, weil es immer wieder totalreflektiert wird – wie in einem perfekten Tunnel aus Glas.

Möchtest du die beschriebene Skizze als Bild sehen?

(72) Erklären Sie die Unterschiede zwischen einer Stufenindexfaser und einer Gradientenindexfaser.

Stufenindexfaser:

• Der Brechungsindex ist im Kern konstant und springt an der Grenze zum Mantel plötzlich auf einen niedrigeren Wert.

• Licht wird durch Totalreflexion an der Kern-Mantel-Grenze weitergeleitet.

• Typischerweise bei Einmodenfasern oder einfachen Multimodefasern verwendet.

• Lichtstrahlen verlaufen zickzackartig.

Gradientenindexfaser:

• Der Brechungsindex nimmt vom Zentrum des Kerns kontinuierlich nach außen ab.

• Lichtstrahlen werden gekrümmt zurück in den Kern gelenkt (nicht hart reflektiert).

• Reduziert Dispersion → bessere Signalqualität über längere Distanzen.

• Typisch für Multimodefasern mit höherer Bandbreite.

Vergleich in einem Satz:

• Die Stufenindexfaser reflektiert das Licht abrupt an der Grenzfläche,

• die Gradientenindexfaser lenkt es sanft durch einen stetigen Brechungsindexverlauf.

Merksatz:
Stufe: harter Sprung – Gradient: weicher Übergang.

(73) Geben Sie die Formeln an - mit welchen die Anzahl der Moden, welche sich in einem Wellleitern ausbreiten können, berechnet werden kann (für den Fall eines zylinderförmigen Wellleiters). Hinweis: Die Formel ist in der Formelsammlung zu finden.

Je größer die V-Zahl, desto mehr Moden können sich in der Faser ausbreiten.

Möchtest du die Formeln auch grafisch aufbereitet oder ein Beispiel sehen?

(74) Erklären Sie den grundsätzlichen Aufbau eines Glasfaserkabels.

Ein Glasfaserkabel besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

1. Kern (1):

   • Der lichtleitende Teil der Faser

   • Besteht aus dotiertem Quarzglas (meist mit Germanium oder Phosphor)

   • Hat einen höheren Brechungsindex als der Mantel → ermöglicht Totalreflexion

2. Mantel (2):

   • Umgibt den Kern

   • Besteht meist aus reinem Quarzglas (SiO₂)

   • Hat einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern → sorgt für die Führung des Lichts durch Totalreflexion

3. Schutzbeschichtung (3):

   • Eine weiche Kunststoffschicht

   • Schützt die Glasfaser vor Mikrorissen, Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen

4. Äußere Schutzhülle (4):

   • Robuste Kunststoffhülle

   • Dient dem mechanischen Schutz beim Verlegen und Betreiben des Kabels

(75) Erklären Sie wie Licht in eine Glasfaser effizient eingekoppelt werden kann.

Damit Licht effizient in eine Glasfaser eingekoppelt werden kann, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

1. Richtiger Einkoppelwinkel:

   • Das Licht muss unter einem Winkel eingekoppelt werden, der kleiner als der Akzeptanzwinkel der Faser ist

   • Nur dann tritt im Inneren Totalreflexion auf

2. Anpassung an den Faserkern:

   • Der Lichtstrahl (z. B. von einer Laserdiode) sollte möglichst punktgenau auf den Kern der Faser fokussiert werden

   • Bei Multimodefasern einfacher, bei Singlemodefasern sehr präzise

3. Numerische Apertur (NA):

   • Gibt an, welcher maximale Einkoppelwinkel möglich ist

   NA= sqrt(n²_Kern − n²_Mantel)

4. Verwendung von Linsen oder Faserkopplern:

   • Mit Mikrolinsen, Grin-Linsen oder Faserkopplern kann das Licht optimal in den Kern fokussiert werden

5. Geringe Verluste an der Grenzfläche:

   • Saubere und glatte Faserenden

   • Refraktive Indexpassung durch optisches Gel oder Kleber

(76) Was versteht man unter der „numerischen Apertur“ (NA) einer Faser (Erklärung mit Angabe der entsprechenden Formel)?

Die numerische Apertur (NA) beschreibt die Lichtsammelfähigkeit einer optischen Faser.
Sie gibt an, unter welchem maximalen Winkel Licht in die Faser eingekoppelt werden kann, sodass es im Kern durch Totalreflexion weitergeleitet wird.

Bedeutung:

• Je größer die NA, desto größer der Akzeptanzwinkel → einfacher Licht einzukoppeln

• Multimodefasern: hohe NA (z. B. 0,22)

• Singlemodefasern: kleine NA → präzise Kopplung notwendig

(77) Erklären und skizieren Sie wie die Informationsübertragung mit Lichtimpulsen im Lichtwellenleiter prinzipiell erfolgt. Erklären Sie die Begriffe „Bitdauer“, „Bandbreite“ sowie „kürzester Strahlweg“ sowie „maximaler Strahlweg“ und „maximale Laufzeitdifferenz“.

Informationsübertragung in der Faser:

• Digitale Informationen (z. B. 0 und 1) werden durch Lichtimpulse codiert.

• Ein „Licht an“ = 1, „Licht aus“ = 0

• Diese Impulse werden durch den Kern der Faser geleitet, meist mithilfe eines Lasers oder einer LED

• Die Lichtimpulse breiten sich im Multimodefasertyp über verschiedene Strahlwege (Moden) aus.

Begriffe erklärt:

• Bitdauer ( T_bit​ ):
  Zeitdauer eines einzelnen Bits (also eines Lichtimpulses)
  → bestimmt die maximale Übertragungsrate

  T_bit​=1 / Bitrate

• Bandbreite:
  Maß für die Übertragungsfähigkeit eines Systems in Bit/s oder Hz
  → je größer die Bandbreite, desto mehr Daten pro Sekunde übertragbar

• Kürzester Strahlweg:
  Der direkte Weg durch den Faserkern entlang der Achse
  → schnellster Weg für das Licht

• Maximaler Strahlweg:
  Schräg einfallende Lichtstrahlen nehmen einen längeren Weg durch Totalreflexion
  → brauchen länger bis zum Empfänger

• Maximale Laufzeitdifferenz (Dispersion):
  Zeitunterschied zwischen frühestem und spätestem ankommenden Impuls
  → führt zu Signalausbreitung und Überlappung, begrenzt die Datenrate

(78) Erklären Sie das Bandbreite-Länge-Produkt und geben Sie eine entsprechende Formel dafür an. In welchen Einheiten wird das BL-Produkt typischerweise angegeben?

Das Bandbreite-Länge-Produkt (BL-Produkt) ist eine Kenngröße für die Impulsübertragung in Lichtwellenleitern. Es beschreibt, wie hohe Datenraten über welche Streckenlängen möglich sind

(79) Erklären Sie wie es zu einer „Licht-Dämpfung“ in Lichtwellenleitern kommt? Geben Sie hierfür die wesentlichsten „Verlustmechanismen“ an.

Wesentliche Verlustmechanismen:

1. Absorptionsverluste:

   • Licht wird durch Verunreinigungen im Glas (z. B. Wasserionen, Metalloxide) absorbiert

   • Führt zur Umwandlung von Licht in Wärme

2. Streuverluste (Rayleigh-Streuung):

   • Entstehen durch Mikrostrukturen und Dichtefluktuationen im Glas

   • Besonders bei kurzen Wellenlängen relevant

3. Biege- und Krümmungsverluste:

   • Bei zu engen Radien oder Knicken verlässt Licht den Kern

   • Unterteilung in Mikrobiegungen (kleine Störungen) und Makrobiegungen (große Radien)

4. Kopplungs- und Anschlussverluste:

   • Entstehen beim Übergang zwischen Fasern (z. B. bei Steckverbindern oder Spleißen)

   • Ursachen: Fehlausrichtung, Luftspalt, unreine Flächen

(80) Erklären Sie die Begriffe „Dämpfungskoeffizient“, „Dämpfungsmaß“, und „Leistungspegel“. Skizzieren Sie den Dämpfungsverlauf (in Abhängigkeit der Wellenlänge) für eine typische Glasfaser.

1. Dämpfungskoeffizient ( α ):

• Maß für die Verluste pro Längeneinheit in der Faser

• Gibt an, wie stark die optische Leistung pro Kilometer abnimmt

2. Dämpfungsmaß ( A ):

• Beschreibt die Gesamtdämpfung über eine bestimmte Strecke

3. Leistungspegel ( P ):

• Logarithmische Angabe der optischen Leistung bezogen auf eine Referenzleistung

(81) Erklären Sie die Begriffe Regenerator und optischer Verstärker - und erklären Sie wofür diese in einer „Lichtwellenleiterübertragungsstrecke“ eingesetzt werden. Welche zwei Typen/Arten von optischen Verstärker kann man unterscheiden?

Regenerator:

• Ein elektronisches Bauelement, das das abgeschwächte optische Signal zuerst in ein elektrisches Signal umwandelt

• Danach wird es gereinigt, verstärkt und neu moduliert → anschließend wieder als Licht ausgesendet

• Funktion: "3R"-Regeneration:

  • Reamplify (verstärken)

  • Reshape (Signalform wiederherstellen)

  • Retime (Zeitsynchronisierung)

Optischer Verstärker:

• Verstärkt das optische Signal direkt, ohne Umwandlung in Elektronik

• Wird eingesetzt, um Verluste über lange Strecken auszugleichen

Einsatzorte:

• Beide werden in Langstrecken-Übertragungsstrecken (z. B. unterseeische Glasfaserleitungen) verwendet

• Optische Verstärker: häufiger, da schneller und kosteneffizienter

Zwei Typen optischer Verstärker:

1. Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA):

   • Arbeitet im C-Band (ca. 1550 nm)

   • Hohe Effizienz, ideal für Telekommunikation

2. Raman-Verstärker:

   • Nutzt den Raman-Streuungseffekt

   • Verstärkung erfolgt über die Glasfaser selbst (dezentrale Verstärkung möglich)

(82) Was versteht man unter den Begriffen Exposition, Expositionsdauer, Bestrahlungsstärke, Bestrahlung?

• Exposition:
  Die Einwirkung optischer Strahlung auf den menschlichen Körper oder ein Gewebe.

• Expositionsdauer t:
  Die Zeit, während der eine Person oder ein Gewebe der Strahlung ausgesetzt ist.

• Bestrahlungsstärke E:
  Strahlungsleistung pro Fläche, die auf eine Fläche auftrifft.

• Bestrahlung H:
  Die zeitlich integrierte Bestrahlungsstärke, also die Energie pro Fläche:

(83) Welche Laserschutzklassen können unterschieden werden? Was ist der Unterschied zwischen der Laserklasse 1 und 1M bzw. zwischen 2 und 2M?

• Klasse 1: Immer sicher

• Klasse 1M: Sicher ohne optische Hilfsmittel – gefährlich mit Lupe/Fernglas

• Klasse 2: Sichtbares Licht, sicher bei kurzem Blick (Blinkreflex)

• Klasse 2M: Wie Klasse 2, aber unsicher mit optischen Hilfsmitteln

• Klasse 3R: Mögliches Risiko, mit Vorsicht

• Klasse 3B: Gefährlich für Augen (direkt), evtl. Haut

• Klasse 4: Sehr gefährlich, auch Streustrahlung → Brandgefahr

Unterschied 1 vs. 1M / 2 vs. 2M:
„M“ = nur ohne optische Hilfsmittel sicher.

(84) Nennen Sie die wesentlichsten Gefahrenquellen (primäre und sekundäre) welche durch den Betrieb von Lasergeräten auftreten können?

Primäre Gefahren (direkt durch Laserstrahlung):

• Augenverletzungen: z. B. Netzhautschäden, irreversibel

• Hautschäden: bei hoher Leistung (v. a. Klasse 3B/4)

• Blendung und Nachbilder

Sekundäre Gefahren (indirekt durch Laserbetrieb):

• Brand- und Explosionsgefahr (z. B. durch entzündliche Materialien)

• Stromschlaggefahr (durch Hochspannung in Geräten)

• Giftige Dämpfe (bei Materialbearbeitung)

• Mechanische oder thermische Gefährdungen (bewegte Teile, heiße Oberflächen)

(85) Nennen Sie die wesentlichsten Schutzmaßnahmen (für den Betrieb von Lasergeräten) welche durch den Hersteller sowie dem Anwender umsetzt werden sollten?

Herstellerpflichten:

• Sicherheitskennzeichnung (Laserklasse, Warnzeichen)

• Strahlausgang absichern (mechanische Schutzvorrichtungen)

• Schlüssel-Schaltsysteme bei Klasse 3B/4

• Not-Aus-Schalter

• Strahlführung gekapselt, wo möglich

• Gebrauchsanweisung mit Sicherheitshinweisen

Anwenderpflichten:

• Tragen von Laserschutzbrillen (klassen- und wellenlängengerecht)

• Zugangsbeschränkungen (z. B. Laserschutzbereiche kennzeichnen)

• Laser nur beaufsichtigt betreiben

• Reflexionen vermeiden (keine spiegelnden Oberflächen)

• Laserschutzbeauftragter für Klasse 3B/4 verpflichtend

• Einweisung und Schulung des Personals

(86) Erklären Sie die Funktionsweise einer Laserschutzbrille? In wie viele Schutzstufen kann unterschieden werden?

Funktionsweise:

• Eine Laserschutzbrille reduziert oder blockiert gezielt die Laserstrahlung einer bestimmten Wellenlänge.

• Sie besteht aus absorbierendem oder reflektierendem Filtermaterial, das die Transmission stark reduziert.

• Schützt Augen vor direkter oder gestreuter Strahlung → je nach Laserklasse lebenswichtig!

Schutzstufen:

• Es gibt Schutzstufen L1 bis L10, abhängig von:

  • Wellenlänge des Lasers (z. B. 532 nm, 1064 nm)

  • Leistung / Energie des Lasers

  • Pulsdauer (cw, ns, fs usw.)

Beispiel:
D LB5 1064 → Schutzstufe 5 für gepulsten Laser bei 1064 nm

(87) Was versteht man unter dem Begriff „optische Dichte“? Was ist der Unterschied zwischen Schutzbrillen mit OD=4 und OD=7?

Optische Dichte (OD):

• Maß für die Lichtabsorption eines Filters (z. B. Laserschutzbrille)

• Gibt an, wie stark die Intensität der Laserstrahlung abgeschwächt wird.

Beispiel – Unterschied OD 4 vs. OD 7:

• OD = 4: Dämpfung um den Faktor 10⁴ = 10.000

• OD = 7: Dämpfung um den Faktor 10⁷ = 10.000.000

→ OD = 7 bietet 1000× mehr Schutz als OD = 4

(88) Wie sollte man sich bei einem Unfall bzw. Zwischenfall durch eine Laserstrahlungsquelle verhalten?

• Laser sofort ausschalten (Netztrennung, Not-Aus)

• Verletzte Person sichern und erste Hilfe leisten

• Augenverletzung:
  → Augen nicht weiter belasten, sofort zum Augenarzt / Notaufnahme

• Unfall melden:
  → an Laserschutzbeauftragten und Sicherheitsbeauftragten

• Unfall dokumentieren (für Unfallbericht, Ursachenanalyse)