Wahlfach Angewandte Optik

Wahlfach Angewandte Optik

Angewandte Optik

Materialbearbeitung

Materialbearbeitung

Biosensorik

Biosensorik

PhotonikPhotonik

Ziel und Aufbau des Wahlfaches

Ziel des Wahlfaches Physikalischen Grundlagen zum Verständnis moderner Zweige der

angewandten Optik

Vermittlung experimenteller Fähigkeiten in drei angewandten Vertiefungsrichtungen, Praktikum, Projektarbeiten, Diplomarbeiten

Inhaltlicher Aufbau

Grundlagenteil, 10 Wochen

Vertiefungs-richtung I:

Optische Biosensorik

Vertiefungs-richtung II:

Faseroptische Sensorik und Messtechnik

Vertiefungs-richtung III:

Materialbearbeitung mit Hoch-

leistungslasern

Vertiefung I: Optische Biosensoren

Inhalt der Vertiefung in Biosensoren, Messtechnik

Übersicht: Optik aus dem Gesichtspunkt der Biosensorik und der Messtechnik

Messprinzipien: Refraktometrie, Absorption, Lumineszenz, Interferenz, Streuung

Messtechnik: Integrierte Optik (Wellenleiter), Plasmonenresonanz, Holographie, Lebensdauer von Zuständen, Signalkorrelationen, Mustererkennung

Anwendungen: medizinische Diagnostik, Qualitätskontrolle, Überwachung

Sensoren

Umweltparameter

Temperatur

Konzentrationen

.......

"Filter"+ "Umwandler"

SENSOR

Zeigerposition

Intensität,.......

Ausgangssignal

Weshalb mit Optik ?

Kleinste Dimensionen (<Nanometer)

Hochempfindlich (einzelne Moleküle)

Zugänglichkeit („kontaktlos“)

Was wird gemessen?

Antikörper „fängt“ Fremdkörper

DNS bildet Doppelstrang

Krebszellen streuen Licht

Strömungsprofile

Verformungen unter Last

Distanzen

Temperaturen

……….

Elemente eines Sensors

Optische Messgrössen

Intensitäten

Phasen (Lage von Mustern)

Koppelwinkel

Polarisation, Polarisationsgrad

Wellenleiter

Wellenleiter beschränkt räumliche Beleuchtung

Wechselwirkung ist polarisationsabhängig

optisches Signal: Phasendifferenz der Polarisationen

Signalerzeugung:

Polarisationsinterferometer:

Wellenleiter

Interferenzmuster

Signalverarbeitung

Wollastonprism

(= 1 °)

polarizer(45 °)

WellenleiterCCD

u

D

I(u)

u

PL

F

BL

S

l WP

l =170 mm

4.2 mm

1.3 mm

Lage des Interferenzmusters = Mass für Phasendifferenz

Vertiefung II: Faser-Sensorik

Inhalt der Vertiefung in Faser-Sensorik

Übersicht: Optik für technische Sensorik sowie Mess- und Regeltechnik

Prinzipien optischer Messwandler: Grundelement: Faser-Wellenleiter, Sagnac-Effekt, Lumineszenz, Kurz-Kohärenz-Optik, optischer Doppler-Effekt, Absorption, Faraday-Effekt, Reflexion, diffuse Streuung

Sensor-Komponenten: Laser, Richtkoppler, Modulatoren, Multiplexer, Polarisatoren, optische Isolatoren, Fotodetektoren, Mikrooptik, integrierte Optik, Optoelektronik, DSV

Bereiche der Photonik: a) Fasersensorik, b) optische Messtechnik, c) techn. Aspekte der optischen Signalverarbeitung

Anwendungen: Medizinaltechnik, GPS, Ortungs-, Positionierungs-systeme, Kontrolle von Prozessabläufen

Faser-Sensor

Typischer Aufbau eines Faser-Sensor-Systems

Umgebungseinfluss, phys. Messgrösse p, T, B, v …

Messwandler thermo-optisch spannungs-optisch magneto-optisch gyro-optisch …

Signal

Optoelektronik

DSV

Prinzip Faser-Sensor Typische Messgrössen

Seismik, Schalldruckschwankungen

Magnetfelder

Elektrische Felder

Rotation, Drehraten

Vibrationen

Flüssigkeitsströme, Geschwindigkeiten

Faraday-Strommessung

Druck, Spannung

Temperatur …X

X

Beispiel eines physikalischen Messwandler-Prinzips Kreisel-Interferometer

RotationRotation optischen Wegdifferenz zwischen zwei Wellenzügen.

Links: Faserschleife in Ruhelage Beide Wellenzüge gleicher Weg Rechts: rotierende Faserschleife Opt. Wegdifferenz zw. rot und blau

Sagnac-EffektOptische Wegdifferenz Phasenverschie-bung im Interferogramm, Relativitätstheorie

Interferogramm aus: V.Vali and R.W.Short- hill, Appl. Opt. 15,1099ff, (1976) Dies ist die erste Publikation eines Faser-Gyroskops. Jahr 1976!

Optische Komponenten eines Messwandlers Kreisel-Interferometer

Realisierter Geräteaufbau, opt. Komponenten Optoel.+DSV

Lock-In-Verstärker

Elektronische Komponenten eines Messwandlers

Kreisel-Interferometer

Schematischer Aufbau des Gerätes mit Optoelektr. und DSV

Beispiel für Komponenten von Sensor-Arrays

Reflexions-Beugungsgitter

Licht einer bestimmten Wellenlänge

Konstruktive Interferenz in best. Richtung

2 unterschiedliche Trägerwellenlängen

weisen Interferenzmaxima in verschiedenen

Richtungen auf

GRIN-Linse führt Strahlen auf Ausgangsfasern

Nebensprechen

Gitterauflösung

Vielkanal-Multiplexer

Beispiel: Gitterdemultiplexer

Prinzip und Funktionsweise

Laborversuche

Experimentieren im Labor

Vertiefung III: Materialbearbeitung

Inhalt der Vertiefung in Materialbearbeitung

Laserstahlung: Moden, Strahlausbreitung, Strahlqualität

Lasertypen: Lasersysteme und Betriebsarten

Materialbearbeitungsprozesse:a) Trennenb) Fügenc) Wärmebehandlungd) Markierene) Strukturieren

Laborbesuch: Besuch mit Experimenten am IALT (Institut für angewandte Lasertechnologie) der HTI Burgdorf

Wahlfach Angewandte Optik

Trennen mit Laser