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Lernmaterialien für Laser in Bio-und Medizintechnik an der RWTH Aachen

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TESTE DEIN WISSEN

Mit welchen Angaben hat der Laserhersteller seinen Laser klassifiziert?

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TESTE DEIN WISSEN

 M² = Beugungsmaßzahl
 Θ = Fernfelddivergenzwinkel

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TESTE DEIN WISSEN

Das Photoharz enthält nur lösliche Komponenten, also keine Streuzentren. Nach welchem Gesetz lässt sich der Verlauf der Lichtintensität im Material beschreiben? Wie ist der Intensitätsverlauf auf der Harzoberfläche bei einem Gaußstrahl?

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TESTE DEIN WISSEN

 In Z-Richtung, entlang der optischen Achse nimmt die Lichtintensität im Material entsprechend dem Lambert-Beer’schen Gesetz ab
 In der xy-Ebene auf der Photoharz-Oberfläche entspricht der Intensitätsverlauf dem Strahlprofil des Lasers. Unter Annahme eines Gausschen Laserstrahls, dem Intensitätsprofil eines Gausschen Laserstrahl folgend (vgl. Übung 2 Aufgabe 2 a)

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Was ist das Strahlparameterprodukt und wie lässt es sich berechnen?

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 Das Strahlparameterprodukt definiert die Strahlqualität und kann durch Abbildungen nicht verändert werden. Eine Abbildung kann z.B. den Fokusradius verkleinern, vergrößert aber damit gleichzeitig die Fernfelddivergenz
SPP=Θ0𝜔0 =M2𝜆𝜋
o Θ0 ist der Fernfelddivergenzwinkel, siehe 2b)
o ω0 ist der Strahlradius in der Strahltaille
o M2 ist dabei die Beugungsmaßzahl: Je größer der Wert, desto schlechter ist der Strahl zu fokussieren und gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist. Minimal kann ein Wert von 1 erreicht werden. Sie gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist.
o λ ist die Wellenlänge des Laserlichts
o π ist die Kreiszahl

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Wie wird das Mode Locking in der Praxis umgesetzt?

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Verwendung eines Güteschalters (aktiv oder passiv) zur Herstellung der Phasengleichheit. Im Gegensatz zur gütegeschalteten Laserstrahlquelle im Q-Switch-Laser wird die Resonatorgüte zeitlich anders moduliert, um eine bestimmte Moden zu verstärken und ungewünschte Moden zu unterdrücken und so eine Phasengleichheit zu erzeugen.

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Was ist Licht?

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 Licht ist eine elektromagnetische Welle (Transversalwelle)
 Licht ist auch ein Teilchen ein sogenanntes Photon
o Kleinste Quantelung des Lichts ist ein Photon. Ein Teilchen, dass diskrete Energiequanten trägt und es besitzt die Frequenz/Wellenlängenabhängige Energie: EPhoton=h⋅ν
o Ein Photon ist masselos und sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus. c ist im Medium Abhängig von der elektrischen Feldkonstanten ε0 und der magnetischen Feldkonstanten μ0.

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Polarisation

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eine Transversalwelle (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ist durch zwei Vektoren charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Ändert der Feldvektor seine Richtung statistisch mit der Zeit, so liegt keine Polarisation vor.

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Kohärenz

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beschreibt wie nahe eine betrachte Welle einer zweiten Welle kommt, in Bezug auf ihren Eigenschaften von Amplitude und Phase an verschiedenen Punkten oder zu verschiedenen Zeiten. Zwei Wellen sind dann kohärent, wenn ihre Zeitabhängigkeit der Amplitude bis auf eine Phasenverschiebung die gleiche ist.

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Wie unterscheidet sich die Strahlausbreitung von Lasern und thermischen Quellen?

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 thermisch: Ein Einzelatom emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen. Betrachtet man ein Ensemble aus vielen Atomen (Körper), so breitet sich thermische Strahlung von jedem Punkt der Oberfläche dieses Körpers unabhängig in den Halbraum über der Oberfläche aus.
 Laser: Im Laserresonator wird die Strahlung gezielt erzeugt und durch den Laserresonator wird eine Vorzugsrichtung der Lichtemission festgelegt. Der Laser emittiert Strahlung entlang der vordefinierten Ausbreitungsrichtung (innerhalb eines bestimmten Divergenzwinkels, der widerum von der Strahlqualität des Lasers abhängt).

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Wellenlänge λ

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kleinster Abstand zweier Punkte gleicher Phase (gleiche Auslenkung) in einer periodischen Welle.

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Was bedeutet Mode Locking?

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Modenkopplung (engl. Mode Locking) ist die Synchronisation vieler einzelner longitudionaler Lasermoden, um sehr kurze und sehr intensive Laserpulse zu erzeugen.

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Energie E

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EPhoton=h⋅ν =h∙c/λ Die Energie eines Photons korreliert mit der Frequenz (Schwingungen pro Sekunde), in Kombination mit der Lichtgeschwindigkeit auch über die Wellenlänge. Wobei h das Planksche Wirkungsquantum ist.

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Erläutern Sie die grundlegenden Unterschiede von gebräuchlichen aktiven Medien anhand der physikalischen/chemischen Zusammensetzung: Festkörper

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Festkörper bestehen aus einer großen Anzahl von Atomen, die in Kristallen regelmäßig angeordnet sind. Durch die Wechselwirkung der Atome untereinander entstehen in Festkörpern aus den diskreten Niveaus freier Atome kontinuierliche Energiebänder. Der Abstand des oberen (Leitungsband) zum unteren Energieband (Valenzband), die Bandlücke, bestimmt dabei maßgeblich die physikalisch chemischen Eigenschaften des Festkörpers.

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Beispielhafte Karteikarten für deinen Laser in Bio-und Medizintechnik Kurs an der RWTH Aachen - von Kommilitonen auf StudySmarter erstellt!

Q:

Mit welchen Angaben hat der Laserhersteller seinen Laser klassifiziert?

A:

 M² = Beugungsmaßzahl
 Θ = Fernfelddivergenzwinkel

Q:

Das Photoharz enthält nur lösliche Komponenten, also keine Streuzentren. Nach welchem Gesetz lässt sich der Verlauf der Lichtintensität im Material beschreiben? Wie ist der Intensitätsverlauf auf der Harzoberfläche bei einem Gaußstrahl?

A:

 In Z-Richtung, entlang der optischen Achse nimmt die Lichtintensität im Material entsprechend dem Lambert-Beer’schen Gesetz ab
 In der xy-Ebene auf der Photoharz-Oberfläche entspricht der Intensitätsverlauf dem Strahlprofil des Lasers. Unter Annahme eines Gausschen Laserstrahls, dem Intensitätsprofil eines Gausschen Laserstrahl folgend (vgl. Übung 2 Aufgabe 2 a)

Q:

Was ist das Strahlparameterprodukt und wie lässt es sich berechnen?

A:

 Das Strahlparameterprodukt definiert die Strahlqualität und kann durch Abbildungen nicht verändert werden. Eine Abbildung kann z.B. den Fokusradius verkleinern, vergrößert aber damit gleichzeitig die Fernfelddivergenz
SPP=Θ0𝜔0 =M2𝜆𝜋
o Θ0 ist der Fernfelddivergenzwinkel, siehe 2b)
o ω0 ist der Strahlradius in der Strahltaille
o M2 ist dabei die Beugungsmaßzahl: Je größer der Wert, desto schlechter ist der Strahl zu fokussieren und gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist. Minimal kann ein Wert von 1 erreicht werden. Sie gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist.
o λ ist die Wellenlänge des Laserlichts
o π ist die Kreiszahl

Q:

Wie wird das Mode Locking in der Praxis umgesetzt?

A:

Verwendung eines Güteschalters (aktiv oder passiv) zur Herstellung der Phasengleichheit. Im Gegensatz zur gütegeschalteten Laserstrahlquelle im Q-Switch-Laser wird die Resonatorgüte zeitlich anders moduliert, um eine bestimmte Moden zu verstärken und ungewünschte Moden zu unterdrücken und so eine Phasengleichheit zu erzeugen.

Q:

Was ist Licht?

A:

 Licht ist eine elektromagnetische Welle (Transversalwelle)
 Licht ist auch ein Teilchen ein sogenanntes Photon
o Kleinste Quantelung des Lichts ist ein Photon. Ein Teilchen, dass diskrete Energiequanten trägt und es besitzt die Frequenz/Wellenlängenabhängige Energie: EPhoton=h⋅ν
o Ein Photon ist masselos und sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus. c ist im Medium Abhängig von der elektrischen Feldkonstanten ε0 und der magnetischen Feldkonstanten μ0.

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Q:

Polarisation

A:

eine Transversalwelle (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ist durch zwei Vektoren charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Ändert der Feldvektor seine Richtung statistisch mit der Zeit, so liegt keine Polarisation vor.

Q:

Kohärenz

A:

beschreibt wie nahe eine betrachte Welle einer zweiten Welle kommt, in Bezug auf ihren Eigenschaften von Amplitude und Phase an verschiedenen Punkten oder zu verschiedenen Zeiten. Zwei Wellen sind dann kohärent, wenn ihre Zeitabhängigkeit der Amplitude bis auf eine Phasenverschiebung die gleiche ist.

Q:

Wie unterscheidet sich die Strahlausbreitung von Lasern und thermischen Quellen?

A:

 thermisch: Ein Einzelatom emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen. Betrachtet man ein Ensemble aus vielen Atomen (Körper), so breitet sich thermische Strahlung von jedem Punkt der Oberfläche dieses Körpers unabhängig in den Halbraum über der Oberfläche aus.
 Laser: Im Laserresonator wird die Strahlung gezielt erzeugt und durch den Laserresonator wird eine Vorzugsrichtung der Lichtemission festgelegt. Der Laser emittiert Strahlung entlang der vordefinierten Ausbreitungsrichtung (innerhalb eines bestimmten Divergenzwinkels, der widerum von der Strahlqualität des Lasers abhängt).

Q:

Wellenlänge λ

A:

kleinster Abstand zweier Punkte gleicher Phase (gleiche Auslenkung) in einer periodischen Welle.

Q:

Was bedeutet Mode Locking?

A:

Modenkopplung (engl. Mode Locking) ist die Synchronisation vieler einzelner longitudionaler Lasermoden, um sehr kurze und sehr intensive Laserpulse zu erzeugen.

Q:

Energie E

A:

EPhoton=h⋅ν =h∙c/λ Die Energie eines Photons korreliert mit der Frequenz (Schwingungen pro Sekunde), in Kombination mit der Lichtgeschwindigkeit auch über die Wellenlänge. Wobei h das Planksche Wirkungsquantum ist.

Q:

Erläutern Sie die grundlegenden Unterschiede von gebräuchlichen aktiven Medien anhand der physikalischen/chemischen Zusammensetzung: Festkörper

A:

Festkörper bestehen aus einer großen Anzahl von Atomen, die in Kristallen regelmäßig angeordnet sind. Durch die Wechselwirkung der Atome untereinander entstehen in Festkörpern aus den diskreten Niveaus freier Atome kontinuierliche Energiebänder. Der Abstand des oberen (Leitungsband) zum unteren Energieband (Valenzband), die Bandlücke, bestimmt dabei maßgeblich die physikalisch chemischen Eigenschaften des Festkörpers.

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