>Dirk Wolfgang Glomp schrieb:
>
>>
>> Wieviel schneller wäre das im Vergleich zu elektrischen Signalen?
>>
>> Dirk
>
>Frag nochmal in etwa 20 Jahren danach ;-)
Laser können heute erstaunliches im 2-stelligen
Femto-Sekundenbereich.
Das lässt von schneller optischer Logik träumen.
Ich lese dauernd davon.
Aber , (auf dem geometrischen Level eines Chips):
Leiterbahnen auf Si-Chips haben wohl mindestens
Ausbreitungsgeschwindigkeiten von 0.5*Lichtgeschwindigkeit.
Hier bringt optische Signalübertragung wenig. Zumal die
Übertragungsweiten auf Chips im 2- bis 3-stelligen nm-Bereich
liegen (100 nm Lichtweg = 3 fs).
Und: Derzeitige aktive Bauelemente haben Abmessungen im
2-stelligen nm-Bereich (Lambda(blau) sind 300 nm).
Photodioden sollten Ähnlich klein sein:
Optische Fokussierung auf 0.25*Lambda erfordert eine kugelförmige
Bestrahlung des Brennflecks aus allen Raumrichtungen, d.h. mit
einer unrealistischen Optik. Reale Fokusse haben eher 1*Lambda[*].
Lambda ist bei blauem Licht ist 300 nm = 6 Gate-Breiten (Intel 2007).
Die Justage optischer Bauelement im 35-nm-Bereich auf einem Si-Chip
mag ich mir lieber nicht vorstellen:
Die Logik findet immer noch in C-MOS statt, d.h.
10^9 Transistoren pro CPU.
Die Logik-Funktionen in der Optik sind eher dürftig, die verwendeten
Bauelemente sind geometrisch weit jenseits der Wellenlängen.
[*] Die Tricks aus der heutigen sub-Lambda Lithographie bringen
zwar mit (gewaltigem) Aufwand einen Faktor 3..5 gegenüber Lambda,
die Optische Nahfeld-Mikroskopie (SNOM) noch einiges mehr.
Das aber auf Schaltkreisen?
Vergleichsweise können die Spurabmessungen von CD, DVD,
Blu-Ray betrachtet werden.
>
>"Raimund Nisius" schrieb:
>
>> Jedoch konnte ich noch nie die UPN leiden. Einst war ich ein paar Tage
>> gezwungen Postscript zu programmieren. Das hatte mich in meiner
Meinung
>> bestätigt.
Ich kann nur UPN-Taschenrechner, aber Forth war mir dennoch ein Graus:
Bei Gruppenarbeit muß man anderer Leute Wörter anwenden. Schon deren
Namensgebung war für mich schwer erlernbar.
>Mir geht es genau umgekehrt, ich ärgere mich über die neueren
Taschenrechner
>die mich dazu zwingen, einen zu berechnenden Ausdruck komplett
umständlich
>einzutippen und am Ende steht das Ergebnis da... und wenn
falsch=unplausibel,
>dann heisst es, die Eingabe editieren, Fehler suchen, u.U. alles nochmal
von
>vorne... meist ist ne Klammer vergessen worden oder sowas.
Die gute(*) Nachricht:
Es gibt seit Sommer 2007 wieder Hewlett-Packard-Taschenrechner
mit UPN.
(Hier kein Link wg. Reklame)
Ich hatte MaWin gebeten, das FAQ-Kapitel "Taschenrechner"
nachzurüsten. Hat er noch nicht getan.
(*) gut für mich jedenfalls:
Als HP nicht mehr produzierte, schwächelte mein HP32 S II.
Der Gedanke an die Umgewöhnung an "normale" TR trieb mir den
Angstschweiß ...
Zum Glück hat sich mein TR erholt.
Jetzt wäre der Ausfall kein Problem mehr, zumal die Preise der
neuen HP-TR gegenüber früher recht zivil sind.
> Wenn man mit der Taschenlampe durch die Hand
> leuchtet, kann man das Innere nicht klar erkennen, da
> sich das Licht streut. Bei der Anwendung wurde ein
> ultrakurzer Laserpuls verwendet. Das austretende
> Licht wurde dann durch einen ultraschnellen Lichtschalter
> geleitet. Das zuerst austretende Licht, da geht es
> um pikosekunden, ist nicht gestreut. Hat angeblich
> funktioniert...
Funktioniert wirklich.
Streuung an durchsichtigen Materialien mit unterschiedlichen
Brechzahlen ist nahezu frei von jeglichem Energieverlust:
Ein Laserstrahl, auf ein Glas Milch gerichtet, kommt zu weit über
90% wieder heraus. Allerdings so stark gestreut, dass man es nur im
Dunklen sieht (über die ganze Oberfläche verteilt eben).
Im nahen Infrarot (0.8 um .. 1.3 um[*]) gilt das sogar für
durchblutetes lebendes Gewebe und sogar dünne
Knochen (Schädel).
Es werden sog. Streulicht-Tomographien angefertigt, indem nur die
"ballistischen" Photonen von schnellen Impuls-Lasern verwendet
werden.
Das sind diejenigen, die ungestreut, d.h. geradlinig durchkommen.
Zum Aussortieren dieser braucht es heute keine optischen
Schalter, sondern schnelle Avalanche-Photodioden (1 ns == 30 cm
Luftweg; im Gewebe ca. 20cm. [**]).
Mit mechanischen Scannen der Oberfläche (oder Faserbündeln im
Zeimultiplex) können Tumore (Brustkrebs, Gehirn) erkannt werden.
Die Bilder haben zwar Pixel im oberen mm-Bereich, können aber
Röntgen brauchbar ergänzen.
Die Ortsauflösung kommt von der geradlinigen Ausbreitung.
[*] Der Bereich ist weniger durch die Gewebe-Absorption begrenzt,
als durch praktikable HL-Laser, vermute ich.
[**] Für Licht ist die NF-Dielektrizitätskonstante (Eps rel = 81)
nicht mehr wirksam für die Lichtgeschwindigkeit.
OT: Bei der NMR-Tomographie leider schon: Im Gewebe ist Lambda
fast Sqrt(81)=9-mal kleiner als im Freiraum. Sehr zum Leidwesen
beim Entwickleln homogener Anregungsfelder ohne stehende Wellen.
Post subject: Re: frequenzkammgenerator - Facharbeit - Literatur
Posted: 2008-02-11 00:09:03
Replies: 15 Views: 483
Kai-Martin Knaak <kmk@lilalaser.de> wrote:
>On Sun, 03 Feb 2008 20:30:54 +0100, Winfried Salomon wrote:
>
>>>> Ich muss eine Facharbeit über den Frequenzkammgenerator
(Aufbau,
>>>> Funktion, Anwendung) schreiben... Kann mir jemand ein paar
gute
>>>> Literatur-Tipps geben?
>>>
>>> de.sci.electronics ?
>>>
>>>
>> das ist doch einfach nur ein Impulsgenerator mit möglichst
schmalen
>> Impulsen (Dirac)?
>
>Gemeint ist vermutlich der optische Kamm für den T.W. Hänsch und
Co. vor
>kurzem den Nobelpreis bekommen haben. Als Puls-Generator benutzt man
>dabei üblicherweise einen moden-gekoppelten Titan-Saphir-Laser. Der
>erzeugt Pulsfolgen mit einigen hundert MHz bis GHz Wiederholfrequenz und
>ein paar Femtosekunden Pulsbreite. Dann kommt der geniale experimentelle
>Trick, bei dem die Phasen der verschiedenen Oberwellen willkürlich
>verschoben werden.
Besser gesagt:
der geniale experimentelle Trick, mit dem die linear verschobenen
Phasen der verschiedenen Oberwellen bestimmt werden können.
Die Phasen vieler Nachbarmoden sind im Ti:Sa-Laser
so synchronisiert, daß fs-Impulse entstehen (Mode-Locking).
Dabei wird aber (gerade infolge des Locking der Phasen)
die Dispersion, d.h. frequenzabhängige Phasendrehung des
Resonators kompensiert.
Diese Phasendrehung führt aber zu einem Frequenzoffset
der Kammfrequenzen. (genauer der lin. Anteil der Ph.Drhg.)
> Dazu wird das Licht in eine Spezial-Faser mit extrem
> großer Dispersion geleitet.
Eher extrem kleiner Dispersion ;-) SCNR,
nämlich extrem negativer, d.h. extrem anomaler Dispersion:
Anomale Dispersion ist im Bereich < 1200 nm mit Fasern
mit Längs-Löchern erreichbar (Photonic Crystals - PCs).
In diesen entsteht an den Vorderflanken der fs-Impulse
langwelliges - z.B. rotes - Licht.
Das ist keine materialbedingte Nichtlinearität, nur Fourier:
Seitenbänder an der steilen, konkaven, Hüllkurvenflanke.
AKA Amplitudenmodulation: die Fourier-Frequenzen sind
schon im Laserimpuls beim Eintritt in die Faser vorhanden.
Rotes Licht eilt normalerweise dispersiv vor , d.h. entfernt sich
vom "Ort der Entstehung" -- der Vorderflanke.
Nicht aber hier bei anomaler Dispersion: Hier läuft das rote
Licht langsamer, d.h. zurück in das Impulsmaximum.
An der Rückflanke entsteht Fourier-gemäß blaues Licht, das
- anomal dispersiv - hinwiederum voreilt.
Normalerweise würden also beide neuen Spektralanteile in
den ursprünglichen Impuls hinein- und durch ihn
hindurchlaufen.
Das wird aber ab einer Mindest-Impulsamplitude durch den
negativ-quadratischen Kerr-Effekt (infolge der el. Lichtamplitude)
verhindert:
Die hohe elektrische Feldstärke im Impulsmaximum mindert
dort die Brechzahl der Faser:
Es läuft daher ein Minimum der Brechzahl mit dem Impuls
durch die Faser.
Hier herrscht die höhere Lichtgeschwindigkeit.
Dieses Maximum der Lichtgeschwindigkeit "fängt" die
neu entstandenen Frequenzanteile ein:
Alles was (statisch) dispersiv aus dem Impuls herauslaufen
will trifft auf einen (dynamisch mitlaufenden) Faserabschnitt
geringerer Lichtgeschwindigkeit und kann so dem Impuls
"nicht entkommen".
Noch einmal:
Rot entsteht (Fourier) an der Vorderflanke, läuft dann anomal
dispersiv zurück, bleibt dann aber im Impulsmaximum gefangen,
weil von hier sowohl nach vorne wie nach hinten die
Lichtgeschwindigkeit abnimmt (neg. quadr. Kerr-Effekt durch
Impuls-Amplitude).
Blau:
Entstehung an Rückflanke, Geschwindigkeit größer,
Einfang gleichartig.
Das Resultat: Die Impulse werden immer schmaler, ihr
Oberwellengehalt immer höher.
Dabei werden die Flanken noch steiler und bilden immer
weitere Fourier-Anteile, die dann wieder Kerr-Effekt-mäßig
zum Peak zentriert werden (Rückkopplung).
Das ist der Beitrag der Faser.
Wichtig!:
Die Impulsfolgefrequenz des mode-gelockten fs-Lasers
bleibt erhalten. Dessen Frequenz kann an die Frequenz
einer Cs-Atom-Uhr angebunden werden.
Alles o.g. wird in der Literatur über Solitonen-Ausbreitung in
Fasern (im Wellenlängenbereich > 1400nm); ausgiebig behandelt.
Oberhalb 1400nm (Nachrichtentechnik bei 1550 nm) ist die
Dispersion in SiO2 schon von Natur aus anomal.
Solitonen waren in den 1990-ern sehr vielversprechend.
U.A. ihr begrenzter Amplitudenbereich hat die Weiterentwicklung
gestoppt.
Auffällig in der (bisher dürftigen) Literatur über
Frq.-Kämme ist:
Bei den für Frequenz-Kämme eingesetzten PC-Fasern mit
anomaler Dispersion im Sichtbaren finden die o.g. Vorgänge
in gleicher - bekannter - Weise statt.
Der Hinweis, dass hier lediglich mittels der Längs-Kanäle
in den Fasern die anomale (negative) Dispersion in den
Nutz-Frequenzbereich der Frq.-Kämme verschoben wird,
sollte bald einmal kommen.
Daß der konstante Frequenzoffset erst bestimmbar ist, wenn
mindestens ein Frq.Kamm mit der Bandbreite 2:1 (Oktave)
erzeugt wurde und wie er bestimmt wurde, macht den
Nobelpreis aus.
> Das Ergebnis ist kontinuierliches Licht, das
> nicht Mehr gepulst ist.
Doch.
Mit der ursprünglichen mode-gelockten Laser-Impulsfrequenz
Deren Frequenz ist die Basis des Ganzen.
> In der spektralen Verteilung sind
> die Oberwellen aber erhalten geblieben. Das kontnuierliche Licht
> hat also ein Spektrum, dass aus lauter diskreten Nadeln besteht.
> Das ist der "Optische Kamm".
> Der Abstand der einzelnen Kammzinken ist identisch mit der
> Wiederholfrequenz des Pulslasers.
>Das Ergebnis ist kontinuierliches Licht, das
>nicht Mehr gepulst ist. In der spektralen Verteilung sind die Oberwellen
Genau:
"Kammzinken" im Frequenzbereich heißt aber Impulse.
>aber erhalten geblieben. Das kontnuierliche Licht hat also ein Spektrum,
>dass aus lauter diskreten Nadeln besteht. Das ist der "Optische
Kamm".
>Der Abstand der einzelnen Kammzinken ist identisch mit der
>Wiederholfrequenz des Pulslasers.
>
>Diese Technik funktioniert nicht nur mit ein paar Oberwellen, sondern
>für so viele, dass der optische Kamm mehr als eine Oktave der
>ursprünglichen Laserfrequenz umfasst. Bei 1 GHz Wiederholfrequenz und
>etwa 300 THz Laserfrequenz sind das mehr als 3e5 Kammzinken. Die Oktave
>erlaubt einen messtechnischen Trick:
>Man stabilisiert einen Laser auf eine Zinke am unteren Ende des optischen
>Kamms. Ein weiterer Laser wird auf die Zinke des Lasers stabilisiert, die
>der doppelten Frequenz des ersten Lasers an nächsten kommt. Parallel
dazu
>wird die Frequenz des ersten Laser mit ein nichtlinearen Kristall
>verdoppelt. Anschließend überlagert man das verdoppelte Licht
mit dem auf
>die Zinke stabilisierten. Das Ergebnis ist eine Schwebungsfrequenz, die
>maximal ein halber Zinkenabstand groß sein kann, also elektronisch
>vergleichsweise leicht und genau messbar ist. Diese Differenzfrequenz ist
>der Offset, mit dem die Kammfrequenzen bei Null Hz anfangen.
>
>Auf diese Weise kennt man jede einzelne Kammzinkenfrequenz mit der
>gleichen Genauigkeit, wie man die Pulsfrequenz des Titan-Saphirlasers
>kennt, also mit einem Fehler kleiner als mHz. Da die Frequenzen des Kamms
>aber im optischen um 300 THz liegen, ist der Fehler hier im Bereich
>1e-18, was einigermaßen beeindruckend ist.
>
>---<(kaimartin)>---
Für 1e-18 ist es (Veröfftl. bis Feb. 2008) noch etwas früh.
(Das ist die Doppler-Verschiebung infolge der Geschwindigkeit der
Kontinentaldrift oder des Wachstums von Fingernägeln).
Die zeitabhaengige Wärmedehnung optischer Tische derzeit
noch viel schlimmer, ( 2007 wohl eher 10e-15).
Es geht aber sehr gut voran.
Ich denke, 10e-18 hat bald jemand erreicht.
Anschaulich: 10e+18 Hz ist sichtbares Blau mal 1000.
Bei delta-f = 10e-18 kann man die interferenzstreifen zweier
so stabiler blauer Lichtquellen in 1000 Sekunden (20 Min)
einmal durchlaufen sehen.
Noch was schönes:
Theodor Hänsch hat (ca. 2000..2002) in einem Vortrag ein Diagramm
der rel. Unsicherheiten der Zeitmessung seit dem Mittelalter (sic)
gezeigt:
Ordinate: Log. prozentualer Fehler
Abszisse: Lin. Jahreszahl
Kurve: Gutgefittete fallende Gerade, AFAIK bis 10e-18
Viele späte Punkte waren seine eigenen Ergebnisse.
Aber:
Eine vertikale Gerade (bei 2000+x; x leider vergessen),
ca. Originalton:
"Ab hier bin ich nicht mehr beteiligt:
Nach deutschem Beamtenrecht wird man mit 65 Jahren
pensioniert."
Nach dem Nobelpreis wurde er wohl irgendwie am - unverändert
geltenden - Beamtenrecht vorbei, im Amt belassen.
Post subject: Re: frequenzkammgenerator - Facharbeit - Literatur
Posted: 2008-02-11 21:04:27
Replies: 15 Views: 483
Kai-Martin Knaak <kmk@lilalaser.de> wrote:
>
>Nur dann, wenn die Kammzinken die richtige Phase relativ zueinander
>haben. Angenommen man verdreht in der Fouriertransformierten einer
>Pulsfolge die Zinken im Komplexen gegeneinander ohne ihre Höhe zu
ändern.
>Dann wird im Zeitbereich aus der ursprünglichen Pulsfolge
Kabbelwasser.
Stimmt auch wieder.
>Ob das beim optischen Kamm der Fall ist, werde ich mich bei den hiesigen
>Kammtechnikern schlau machen.
Bitte unbedingt davon berichten!
Ich bin sehr daran interessiert, weiß aber nur
hobby-mäßig darüber Bescheid.
Die erzwungenen three-page-articles in Optics Letters u.ähnl.
lassen leider auch keine Beiträge für Laien wie mich zu.
Post subject: Re: frequenzkammgenerator - Facharbeit - Literatur
Posted: 2008-02-16 18:10:24
Replies: 15 Views: 483
Kai-Martin Knaak <kmk@lilalaser.de> wrote:
>On Mon, 11 Feb 2008 21:04:27 +0100, W.Riedel wrote:
>
>>>Ob das beim optischen Kamm der Fall ist, werde ich mich bei den
hiesigen
>>>Kammtechnikern schlau machen.
>>
>> Bitte unbedingt davon berichten!
>
>Die Doktoranden, die mit dem Bau der Magnesium-Uhr beschäftigt sind,
zu
>der auch so ein Frequenzkamm als Uhrwerk gehört, wussten es nicht so
>genau. Mal eben nachmessen geht auch niocht, weil die sonstige
>Laboreinrichtung mehr oder weniger auf DC maximal Wackel-Strom
>eingerichtet ist. Außerdem ist es wohl etwas aufwendiger, den Kamm in
>Betrieb zu nehmen.
>
>Es gibt allerdings im Erdgeschoss noch eine Forschungsgruppe, die nur mit
>Puls-Lasern hantiert. Ich könnte mir vorstellen, dass dort das Wissen
um
>kurze Pulse in PC-Fasern zur Grundbildung gehört. Heute war allerdings
>niemand vor Ort. Offensichtlich ist gerade ein Gruppen-Ausflug...
>
>Den Text in der englischen Wikipedia könnte man so deuten, dass es
hinter
>der Faser keine Pulse mehr gibt:
>/----------
>| Broadening to an octave is typically achieved using supercontinuum
>| generation by strong self-phase modulation in nonlinear photonic
>| crystal fiber.
>----------
Ich glaube, der Begriff supercontinuum bezieht sich auf die
- verglichen mit optischen Frequenzen - sehr eng beieinander
liegenden Kammfrequenzen:
Bei z.B. 300 MHz Modenabstand oder 3.3 ns Pulsfolge fs-Lasers haben
die Kammfrequenzen nur 300 MHz Abstand. Rotes Licht hat 500 THz.
D.h. um die Linien im Kamm spektroskopisch aufzulösen, brauchte man
ca. 2e-7 relative Auflösung.
Die anfangs xx fs breiten Impulse (xx wohl unter 100 fs) des Ti:Sa
werden in der o.g. "nonlinear photonic crystal fiber" noch schmaler.
(AKA Selbstphasenmodulation. Das ist auch schon alles, was ich
halbwegs sicher weiß.)
"Nonlinear" ist hier eher irreführend. Die Brechzahl ist zwar
nichtlinear, dadurch entstehen aber keine neuen Frequenzen
(wie z.B. an nichtlinearer Kennlinie), sondern sie ist Ursache der
Impulskompression durch Selbstphasenmodulation.
Die neuen Frequenzen werden fourier-mäßig gebildet.
Ich *vermute*, dass die extrem schmalen Impulse so aus der Faser
austreten, dann aber dispersiv verbreitert werden. (Bei Impulsen im
einstelligen fs-Bereich stört schon die Dispersion der Luft.)
Dass dabei kontinuierliches "Kabbelwasser" (Kai-Martin Knaak,
11.2.08)
entsteht, glaube ich aber nicht: Dazu müssten sich die fs-Impulse bis
in den Bereich ihres Abstandes (z.B. die o.g. 3.3 ns) verbreitern.
Aber selbst dann blieben die Amplituden in der Faser gebildeten neuen
Frequenzen unverändert erhalten. Ihre dispersiv konstant verschobenen
Phasen sind bei der Frequenzmessung unwichtig.
>Allerdings wäre ich in diesem Fall eher misstrauisch und würde
mich
>lieber auf bessere Quellen verlassen.
>
>---<(kaimartin)>---
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