Verfügbarkeit: Coherent optics | Technische Universität München

Coherent optics: fundamentals and applications ; 73 Problems and Complete Solutions

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Beteiligte Personen:	Lauterborn, Werner 1942-2023 (VerfasserIn), Kurz, Thomas (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Englisch Deutsch
Veröffentlicht:	Berlin [u.a.] Springer 2003
Ausgabe:	2. ed.
Schriftenreihe:	Advanced texts in physics Physics and astronomy online library
Schlagwörter:	Kohärente Optik Enzyklopädie Wörterbuch
Links:	http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=010198559&sequence=000001&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA
Beschreibung:	Literaturverz. S. 321 - 331
Umfang:	XIII, 346 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	3540439331

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adam_text	CONTENTS 1. HISTORY OF OPTICS ............................................ 1 1.1 PAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 PRESENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 FUTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. THE MAIN AREAS OF OPTICS ................................... 9 2.1 GEOMETRICAL OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 WAVE OPTICS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 QUANTUM OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 STATISTICAL OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. FUNDAMENTALS OF WAVE OPTICS .............................. 15 3.1 MAXWELLS EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 THE WAVE EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3.1 ONE-DIMENSIONAL WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3.2 PLANE WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3.3 SPHERICAL WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.4 BESSEL WAVES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.5 EVANESCENT WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.6 POLARIZED WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4 INTENSITY OF A LIGHT WAVE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4. COHERENCE .................................................. 35 4.1 TEMPORAL COHERENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 SPATIAL COHERENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3 SPATIOTEMPORAL COHERENCE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 COMPLEX REPRESENTATION OF THE LIGHT FIELD . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5 STELLAR INTERFEROMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.6 FOURIER SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.7 INTENSITY CORRELATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 X CONTENTS 5. MULTIPLE-BEAM INTERFERENCE ................................ 61 5.1 FABRYPEROT INTERFEROMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2 MODE SPECTRUM OF A LASER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.2.1 INTERFERENCE SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2.2 DIFFERENCE-FREQUENCY ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 DUAL-RECYCLING INTERFEROMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6. SPECKLES ..................................................... 77 6.1 INTENSITY STATISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.2 SPECKLE SIZES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 SPECKLE PHOTOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.1 DOUBLE-EXPOSURE TECHNIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.2 TIME-AVERAGE TECHNIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.4 FLOW DIAGNOSTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.5 STELLAR SPECKLE INTERFEROMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7. HOLOGRAPHY ................................................. 101 7.1 PRINCIPLE OF HOLOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.1.1 HOLOGRAM RECORDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7.1.2 IMAGE RECONSTRUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.1.3 LOCATION OF THE IMAGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.1.4 PHASE CONJUGATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.2 THE IMAGING EQUATIONS OF HOLOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.3 HOLOGRAPHIC ARRANGEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.3.1 IN-LINE HOLOGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.3.2 REFLECTION HOLOGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.3.3 TRANSMISSION HOLOGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.3.4 WHITE-LIGHT HOLOGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3.5 RAINBOW HOLOGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.4 HOLOGRAPHIC CINEMATOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.5 DIGITAL HOLOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.5.1 DIRECT SIMULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.5.2 SIMULATION WITH SQUARE LIGHT WAVES . . . . . . . . . . . . . . 132 7.5.3 DIGITAL HOLOGRAM RECORDING AND RECONSTRUCTION . . . . . 133 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8. INTERFEROMETRY .............................................. 135 8.1 MACH*ZEHNDER INTERFEROMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.2 SAGNAC INTERFEROMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.3 HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.3.1 REAL-TIME METHOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.3.2 DOUBLE-EXPOSURE METHOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.3.3 TIME-AVERAGE METHOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 CONTENTS XI 8.4 THEORY OF HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8.4.1 REAL-TIME AND DOUBLE-EXPOSURE METHOD . . . . . . . . . . 142 8.4.2 TIME-AVERAGE METHOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.4.3 TIME-AVERAGE METHOD IN REAL TIME . . . . . . . . . . . . . . . 145 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9. FOURIER OPTICS .............................................. 149 9.1 SCALAR DIFFRACTION THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.1.1 FRESNEL APPROXIMATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 9.1.2 FRAUNHOFER APPROXIMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.2 FOURIER TRANSFORM BY A LENS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.3 OPTICAL FOURIER SPECTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.3.1 POINT SOURCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.3.2 PLANE WAVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 9.3.3 INFINITELY LONG SLIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9.3.4 TWO POINT SOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 9.3.5 COSINE GRATING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9.3.6 CIRCULAR APERTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.3.7 COMPOUND DIFFRACTING SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9.4 COHERENT OPTICAL FILTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.4.1 LOW-PASS FILTER OR SPATIAL FREQUENCY FILTER . . . . . . . 168 9.4.2 HIGH-PASS FILTER OR DARK FIELD METHOD . . . . . . . . . . . . 169 9.4.3 PHASE FILTER OR PHASE CONTRAST METHOD . . . . . . . . . . . . 170 9.4.4 HALF-PLANE FILTER OR SCHLIEREN METHOD . . . . . . . . . . . . . 172 9.4.5 RASTER ELIMINATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.4.6 DEMONSTRATION EXPERIMENT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.4.7 HOLOGRAPHIC FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.4.8 PATTERN RECOGNITION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 10. THE LASER ................................................... 181 10.1 THE LASER PRINCIPLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 10.2 LASER RATE EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 10.3 STATIONARY OPERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 10.4 STABILITY ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.5 TRANSIENT DYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.5.1 RELAXATION OSCILLATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.5.2 Q-SWITCHING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.5.3 CAVITY DUMPING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.6 CHAOTIC DYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.7 SYNCHRONIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 XII CONTENTS 11. ULTRAFAST OPTICS ............................................. 209 11.1 PROPERTIES OF ULTRASHORT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 11.1.1 TIME-BANDWIDTH PRODUCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11.1.2 CHIRPED PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.2 GENERATION OF ULTRASHORT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.2.1 PRINCIPLE OF MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.2.2 METHODS OF MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.2.3 SONOLUMINESCENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.2.4 CHIRPED PULSE AMPLIFICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.3 MEASUREMENT OF ULTRASHORT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 11.4 OPTICAL GATING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 11.5 OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 12. NONLINEAR OPTICS ........................................... 239 12.1 TWO-WAVE INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.1.1 TWO-PHOTON ABSORPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 12.1.2 TWO-PHOTON IONIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.2 THREE-WAVE INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.2.1 SECOND-HARMONIC GENERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.2.2 SUM-FREQUENCY GENERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.2.3 DIFFERENCE-FREQUENCY GENERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.2.4 OPTICAL PARAMETRIC AMPLIFIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 12.3 FOUR-WAVE INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 12.4 MULTI-PHOTON INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 12.4.1 FREQUENCY MULTIPLICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 12.4.2 MULTI-PHOTON ABSORPTION AND IONIZATION . . . . . . . . . . . 246 12.5 FURTHER NONLINEAR OPTICAL PHENOMENA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12.6 NONLINEAR POTENTIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 12.7 INTERACTION OF LIGHT WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 12.7.1 THREE-WAVE INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 12.7.2 SCALAR THREE-WAVE INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 12.7.3 SECOND-HARMONIC GENERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 12.7.4 OPTICAL PARAMETRIC AMPLIFIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 12.7.5 OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 12.7.6 THREE-WAVE INTERACTION IN THE PHOTON PICTURE. . . . . . 264 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 13. FIBER OPTICS . ................................................ 267 13.1 GLASS FIBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 13.1.1 PROFILE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 13.1.2 GUIDED WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 13.1.3 ATTENUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 13.2 FIBER SENSORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 13.3 OPTICAL SOLITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 CONTENTS XIII 13.3.1 DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 13.3.2 NONLINEARITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 13.4 FIBER-OPTIC SIGNAL PROCESSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 A. THE FOURIER TRANSFORM ..................................... 287 A.1 ONE-DIMENSIONAL FOURIER TRANSFORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 A.2 TWO-DIMENSIONAL FOURIER TRANSFORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 A.3 CONVOLUTION AND AUTOCORRELATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 A.4 PROPERTIES OF THE FOURIER TRANSFORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 A.5 SELECTED FUNCTIONS AND THEIR FOURIER TRANSFORMS . . . . . . . . 292 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 B. SOLUTIONS OF PROBLEMS ...................................... 295 REFERENCES ...................................................... 321 INDEX ............................................................ 333
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