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Photonik

Was ist Photonik?

Die Photonik beschäftigt sich mit Licht und dessen technischer Nutzung. Die Bezeichnung Photonik setzt sich aus dem Begriff Photon und der Endung von Elektronik zusammen. Dazu werden heute optische Technologien gezählt, die zur Erzeugung, Verstärkung, Übertragung, Steuerung und Messung von elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Photonen benennen dabei die kleinsten diskreten Energiepakete des Lichts. Elektronen wechselwirken mit Photonen, wodurch sich die Schnittstelle zur Elektronik ergibt. (Steglich & Heise, 2019; Bäuerle, 2009)

Was ist LICHT und wie wird es genutzt?

Licht ist ein elementares Phänomen. Es ist die Grundlage für die Entwicklung des Lebens und umgibt uns überall, zu jeder Zeit. Für den Großteil der Menschheit gilt dies als selbstverständlich und man vergisst die Vielzahl von Dingen, welche im täglichen Leben erst durch das Licht ermöglicht werden. Einerseits lässt es uns Farben sehen, andererseits überträgt es aber auch Energie, sodass wir Wärme empfinden. Pflanzen brauchen Licht für die Photosynthese und bei anderen Lebewesen, wie beispielsweise dem Menschen, beeinflusst es die Hormonausschüttung und bewirkt ein Gefühl der Zufriedenheit.

Aufgrund der vielseitigen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten wurde schließlich daran gearbeitet, Licht auch für technische Zwecke zu nutzten. Damit wurde der Grundstein für die Photonik gelegt, welche durch technologischen Fortschritt immer weiterentwickelt werden konnte und neue Möglichkeiten eröffnete.

Heute findet man lichttechnische Anwendungen in einem Großteil von Alltagsgeräten wie Smartphones, Bildschirmen oder allgemein in der Beleuchtung. Doch auch für Industrie und Medizin ist das Licht zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Dies vor allem, da Klima- und Umweltschutz in Verbindung mit dem Ausbau von Mobilität, Energie, Kommunikation, Sicherheit und Gesundheit unsere moderne Gesellschaft vor viele Herausforderungen stellt.

Themen wie Energie- und Ressourcenschonung werden zum Grundpfeiler neuester technischer Errungenschaften. Moderne Anwendungen, die nicht umweltverträglich sind, finden aktuell kaum mehr Zuspruch. Hier übernimmt die Photonik eine Schlüsselrolle. Unter anderem, weil viele Prozesse dadurch effizienter und nachhaltiger gestaltet werden können, was eine Abfall- und Emissionsverminderung mit sich bringt. Somit besitzen photonische Technologien ein erhebliches Zukunftspotential, welches bei entsprechender Ausschöpfung einen entscheidenden Beitrag zur verbesserten Lebensqualität zukünftiger Generationen leisten könnte.

Fakten

Das menschliche Auge kann nur Licht mit Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm (1 nm = 10-9 m) erfassen, das sogenannte „sichtbare Licht“, durch das wir Objekten und insbesondere Farben wahrnehmen. (Slabke, 2018)

Bei Idealbedingungen im Vakuum erreicht Licht mit annähernd 300.000 km/s die höchstmögliche Geschwindigkeit im Universum, die man auch als Lichtgeschwindigkeit kennt. (Steglich & Heise, 2019)

Gebündelt kann Licht für den Bruchteil einer Sekunde eine Leistung von annähernd 1 Milliarde Megawatt erzielen. Das entspricht ca. 1360 Milliarden PS und somit einer Anzahl von 1,3 Milliarden Bugatti Veyrons, der mit über 1000 PS als einer der leistungsstärksten Supersportwägen der Welt gilt (Steglich & Heise, 2019; Denz, 2019; Winkelmann, 2019)

Licht ist ein Spezialfall elektromagnetischer Strahlung und hat sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften (Demtröder, 2016)

Licht mehrere verschiedener Farben bzw. Wellenlängen wird im Auge zusammenaddiert, wodurch für uns meist nur mehr eine Farbe erkennbar ist

Technolgien

  • LEDs – Leuchtdioden, kurz LEDs sind Halbleiterbauelemente die Licht emittieren können.
  • Laser – Der Begriff Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ und bedeutet grob so viel wie Lichtverstärkung durch eine Vervielfachung von Lichtteilchen.
  • Photovoltaik – Die Photovoltaik beschreibt die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen.
  • Optische Sensoren, Linsen und Spiegel in Kameras, Ferngläsern, Teleskopen …
 

Einsatzgebiete der Photonik

Bei der optischen Kommunikation werden Photonen als Informationsträger verwendet, wobei Laserlicht zum Einsatz kommt, welches in Glasfaserkabeln weite Strecken mit geringen Verlusten zurücklegen kann.

Egal ob zum „Weglasern“ von Fehlsichtigkeit, zum Erfassen und Manipulieren von winzigen Viren und Bakterien mittels Laserpinzette oder in Form von optoelektronischen Pulsmessgeräten, die Photonik ist vielfach vertreten

In der industriellen Fertigung wird Laserstrahlung z.B. zur präzisen Einbringung großer Energiemengen in ein System in einer sehr kurzen Zeitspanne ausgenutzt, wodurch definierte Schichten eines Materials erwärmt, aufgeschmolzen oder verdampft werden können, ohne das umliegende Material zu beeinflussen. Dazu zählen:

  • Laserschneiden, -schweißen, -löten
  • Laserpolieren, -härten, -legieren und beschichten
  • Erzeugung von 3D-Strukturen (3D-Druck, Additive Manufacturing)
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  • Lichtschrankentechnik zur Messung von Stückzahlen auf einem Fließband
  • Messung von Topografie und Entfernungen
  • Geschwindigkeitsmessungen
  • Flachbildschirme, CDs, DVDs und Blu-rays
  • Strichcodelesegerät Laserdrucker

Quellen:

Bäuerle, D. (2009). Laser – Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst. Weinheim: WILEY-VCH.

Demtröder, W. (2016). Experimentalphysik 3 – Atome, Moleküle und Festkörper. 5. Auflage Hrsg. Berlin Heidelberg: Springer Spektrum.

Denz, C. (2019). Photonik – Von der klassichen Optik zur Zukunft des Lichts. In: D. Duchardt, A. B. Bossman & C. Denz, Hrsg. Vielfältige Physik – Wissenschaftlerinnen schreiben über ihre Forschung. Berlin: Springer Spektrum, pp. 196-206.

Slabke, U. (2018). LED-Beleuchtungstechnik – Grundwissen für Planung, Auswahl und Installation. Berlin: VDE Verlag.

Steglich, P. & Heise, K. (2019). Photonik einfach erklärt – Wie Licht die Industrie revolutionierte. Wiesbaden: Springer Spektrum.

Winkelmann, S. (2019). Bugatti Veyron 16.4 – Ein Sportwagen der Superlative. [Online] Available at: https://www.bugatti.com/de/veyron/veyron-164/ [Zugriff am 30. 12. 2019]