Lichtquellen

Rainer Dohlus

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2014
• eBook-ISBN: 9783110396515
• Auflage: 1
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Optics & Light

Anschaulich und anwendungsorientiert vermittelt dieses Lehrbuch fundierte Kenntnisse über Lichtquellen, angefangen bei den physikalischen Grundlagen der Lichterzeugung über Aufbau bis hin zu technischen Ausführungsformen. Darüber hinaus erläutert der Autor ausführlich die Technik der Halbleiterlichtquellen und der OLEDs, die zukünftig von großer Bedeutung sein werden.

Die mathematischen Voraussetzungen beschränken sich auf Grundkenntnisse, die in Ingenieurstudiengängen an anwendungsbezogenen Hochschulen in den ersten vier Studiensemestern vermittelt werden.

1 Grundlagen der Lichterzeugung

1.1 Was ist Licht?

1.1.1 Licht als elektromagnetische Welle

Einstein hat in den Fünfzigerjahren in einem Brief geschrieben: „All die 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort auf die Frage ‚Was sind Lichtquanten?‘ nicht näher gebracht. Heutzutage denken Krethi und Plethi sie wüssten es, aber sie täuschen sich.“ Tatsächlich ist die Jahrhunderte alte Frage, ob Licht Teilchen- oder Wellencharakter hat, bis heute nicht beantwortet … und zwar deshalb nicht, weil man sie gar nicht beantworten kann. Licht tritt je nach Experiment als Welle oder als Teilchen in Erscheinung. Erst die Quantentheorie hat dieses Phänomen befriedigend beschrieben. So wird auch in diesem Buch die Betrachtungsweise wechseln: zunächst wird zur begrifflichen Einteilung der Strahlung sowie zur Einführung einiger grundlegender Eigenschaften das Wellenbild herangezogen, dann aber auch ins Quantenbild gewechselt.

Es soll zunächst der Begriff Licht genauer definiert werden. Dies geschieht u.a. durch die DIN-Norm 5031, Blatt 7 [DIN 5031-7]. Sie spezifiziert elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm als optische Strahlung (Abb. 1.1). Unter Licht im eigentlichen Sinne versteht man Strahlung im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm (sichtbare Strahlung, VIS). Seine Erzeugung ist Kernthema dieses Buches, wenngleich dabei auch häufig UV- bzw. IR-Strahlung auftritt.

Abb. 1.1: Der Wellenlängenbereich der optischen Strahlung erstreckt sich von 100 nm bis 1 mm. Die Wellenlängenskala ist logarithmisch skaliert.

Licht ist, ähnlich den bekannten Radiowellen, eine transversale elektromagnetische Welle, die aus zwei Feldern, dem elektrischen und magnetischen Feld, besteht. In Abb. 1.2 sind die Verhältnisse bei einer ebenen Welle skizziert, die sich in y -Richtung ausbreitet. In diesem

Fall stehen

- und H -Vektor senkrecht aufeinander und sind ihrerseits senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Diejenige Ebene, die durch die Schwingungsrichtung der elektrischen Feldstärke und durch die Ausbreitungsrichtung festgelegt ist, wird Schwingungsebene genannt. Durch die Schwingungsrichtung der magnetischen Feldstärke und durch die Ausbreitungsrichtung wird die Polarisationsebene festgelegt. Licht, das sich wie in Abb. 1.2 ausbreitet, wird linear polarisiert genannt, weil der Vektor der elektrischen Feldstärke in eine feste Richtung, hier die z-Richtung, zeigt. Eine andere Möglichkeit wäre, dass

in x-Richtung zeigt und

in negative z-Richtung. Alle weiteren Richtungen des

-Feldes bei Ausbreitung in y-Richtung lassen sich durch Komponenten E_x und E_z gemäß

(1.1)

ausdrücken.

Das Licht thermischer Lichtquellen stammt von einer Vielzahl von Sendern, die alle unabhängig voneinander strahlen. Jede so abgestrahlte Lichtwelle hat für sich eine eigene Schwingungsrichtung. Die einzelnen Richtungen der elektrischen Feldstärke sind also statistisch verteilt, so dass das Licht im Ganzen unpolarisiert erscheint.

Abb. 1.2: Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle. Bei der ebenen Welle stehen

- und

-Vektor senkrecht aufeinander.

1.1.2 Lichtquanten

Die Vorstellung von Licht als einer Art Radiowelle mit extrem hoher Frequenz ist nicht mehr haltbar, wenn man die Entstehung von Licht genauer analysiert. Betrachtet man etwa die Spektren, die entstehen, wenn man eine Gasentladung in Wasserstoffatmosphäre brennt, dann stellt man fest, dass nur ganz bestimmte Frequenzen auftreten. Das rührt daher, dass die Emission von Licht in Form von Energiepaketen, so genannten Lichtquanten oder Photonen erfolgt. Ihre Energie ist E=hf , wobei f die Frequenz der Lichtwelle darstellt. h ist die Plancksche Konstante, ihr Wert ist 6, 6261⋅10⁻³⁴ Js.

Fasst man das Elektron als Materiewelle auf und überträgt diese Vorstellung auf Bohrs um den Kern kreisendes Elektron, dann erhält man nur dann stabile „Bahnen“, wenn der Umfang der Kreisbahn mit Radius r_n ein ganzzahliges Vielfaches n der Wellenlänge λ_e ist:

(1.2)

Bei allen anderen Bahnradien löscht sich die Welle durch Interferenz aus. Die Wellenlänge λ_e der Materiewelle ist mit dem Impuls p des Elektrons nach de Broglie über

(1.3)

verknüpft, so dass für den Drehimpuls des Elektrons die Quantisie...

Inhaltsverzeichnis

• Weitere empfehlenswerte Titel
• Titel
• Impressum
• Widmung
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Grundlagen der Lichterzeugung
• 2Messung und Bewertungvon Strahlung
• 3Technik der Lichtquellen
• Lösungen zu den Aufgaben
• Lexikon
• Literatur
• Index