Akademik

Resonator

 

[zu lateinisch resonare »widerhallen«] der, -s/...'toren,  

 1) Mikrowellentechnik: Bauelement, das bei Frequenzen über 100 MHz den aus räumlich getrennter Induktivität und Kapazität bestehenden LC-Schwingkreis ersetzt, da dieser wegen mit der Frequenz zunehmender Dämpfung durch Abstrahlung nicht mehr resonanzfähig ist. Leitungsresonatoren bestehen aus einem Stück Lecher-, Koaxial- oder Mikrostreifenleitung. Die Resonanzlänge ist (2n + 1) λ /4 (»Viertelwellenlängen-R.«), wenn das Leitungsstück einseitig kurz geschlossen, am anderen Ende offen ist, beziehungsweise n · λ /2 bei beidseitigem Kurzschluss (n positive ganze Zahl, λ jeweilige Leitungswellenlänge). Es werden nur TEM-Moden (Moden) praktisch benutzt. Als Topfkreise bezeichnet man durch Anbringen von relativ großen Endkapazitäten stark verkürzte Leitungsresonatoren. Hohlraumresonatoren sind im Prinzip alle von einer geschlossenen Metallfläche umgebene Volumina, in der Praxis, wegen ihrer exakten Berechenbarkeit, meist beidseitig kurz geschlossene Stücke Hohlleiter. Das Spektrum ist im Allgemeinen nicht harmonisch; es werden zur Charakterisierung einer Schwingungsmode der prinzipielle Wellentyp sowie drei Indizes benötigt, z. B. TE_mnl-Mode: eine transversale elektrische Mode mit (im Rundhohlleiter) m radialen und n azimutalen Knotenlinien der magnetischen Längsfeldstärke sowie l halben Wellenlängen längs der Resonatorachse. - In dielektrischen Resonatoren ist das elektromagnetische Feld im Innern eines (meist zylindrischen) sehr verlustarmen Keramikkörpers großer Dielektrizitätszahl ε konzentriert (z. B. Bariumtitanat, ε ≈ 40), als nichtmetallische Berandung dient der hohe ε -Sprung zur Umgebungsluft. Wegen der Verkürzung aller Wellenlängen um den Faktor sind dielektrische Resonatoren sehr kompakt und finden in integrierten Mikrowellenschaltungen weite Verwendung. - In Mikrowellenresonatoren wird die Schwingung genau wie im LC-Kreis durch das Pendeln der Energie zwischen elektrischem und magnetischem Feld aufrechterhalten, nur sind die Bereiche dieser Felder und damit Kapazität und Induktivität über den ganzen Resonator verteilt. Wesentliche Kennzahl einer Resonanz der Frequenz f ist der Gütefaktor Q = 2πf · (W/P) = f/Δf (W im Resonatorvolumen gespeicherte, P pro Sekunde verbrauchte Energie, Δf Halbwertsbreite [Schärfe] der Resonanz). Er hängt ab von Geometrie und Material des Resonators sowie der Stärke seiner Ankopplung an den Generator. Mit Leitungsresonatoren aus Kupfer erreicht man Q-Werte von 3 · 10³, dielektrische Resonatoren haben Q ≈ 6 · 10³, Hohlraumresonatoren Q = 5 · 10³ bis 5 · 10⁴, bei Verwendung von supraleitendem Niob als Berandung bis 10¹⁰. - Mikrowellenresonatoren finden Verwendung in Oszillatoren, als Modulations- und Koppelelemente in Laufzeitröhren, zum Aufbau schmalbändiger Filter sowie mit ihren hohen elektrischen Feldstärken in Hochfrequenz-Teilchenbeschleunigern.

 

 2) Optik: optischer R.Resonator, im Prinzip ein Hohlraumresonator wie in der Mikrowellentechnik, jedoch für den Spektralbereich des sichtbaren Lichts und angrenzender Wellenlängenbereiche. Wegen des kleinen Verhältnisses der Lichtwellenlängen zu den Dimensionen praktisch handhabbarer Hohlräume ist in solchen Resonatoren eine sehr große Zahl verschiedener Moden möglich. Um diese zu verringern, werden bei optischen Resonatoren die Seitenwände weggelassen, sodass sich ein offener Resonator ergibt, der nur aus zwei gegenüberliegenden Spiegeln besteht. Es bleiben dann nur diejenigen Moden resonanzfähig, bei denen die Beugungsverluste gering sind. Ein bekanntes Beispiel ist der als Interferometer verwendete Fabry-Pérot-Resonator (Fabry-Pérot-Interferometer). Die in einem solchen Resonator möglichen Moden entsprechen im Wesentlichen ebenen stehenden Wellen. Die verschiedenen Moden sind mit bestimmten Intensitätsverteilungen auf den Spiegeln verknüpft. Bei der einfachsten Anordnung stehen sich zwei ebene Spiegel parallel gegenüber. Die große Empfindlichkeit dieser Anordnung gegen Dejustierung (Verkippen) kann verringert werden, wenn einer der Spiegel (oder beide) als Kugelschale ausgebildet werden; bei der Verwendung zweier Hohlspiegel werden diese üblicherweise so angeordnet, dass sie den gleichen Punkt als Brennpunkt haben (konfokal). Durch eine ringförmige Anordnung von mindestens drei Spiegeln kann die Frequenzschärfe gesteigert werden. In einer derartigen Anordnung entstehen laufende Wellen. Ringförmige Spiegelanordnungen, in denen zwei Wellen gegeneinander laufen, bilden die Grundlage des Lasergyroskops. Durch geeignete Maßnahmen kann in einem Ringsystem eine Ausbreitungsrichtung der Wellen selektiert werden. (Laser)

 

 3) Schwingungslehre: ein schwingungsfähiges System, das Resonanzerscheinungen zeigt (Resonanz).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Laser: Laserstrahlung und Aufbau eines Lasers