Lichtstra h len - Wellen - Photonen Wolfgang Zinth Ursula Zinth

Optik
Lichtstra hlen - Wellen - Photonen
von
Wolfgang Zinth
Ursula Zinth
3-, verbesserte Auflage
Oldenbourg Verlag München
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
V
1
Einführung und historischer Überblick
1
2
Licht als elektromagnetische Welle
5
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
Die Wellengleichung und ihre Lösungen ..................... 5
Energie und Impuls von Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
Wellenpakete ............................................... 12
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
Dispersion von Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante. . . . . . ..
Der Brechungsindex ........................................
Die Absorption von Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Die Dispersion von dichten Medien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Brechungsindex und Absorption von Metallen. . . . . . . . . . . . . . ..
19
19
21
22
25
27
2.3
2.3.1
2.3.2
29
31
2.3.3
Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen. . . . . . . . . . . . . . . . ..
Reflexions- und Brechungsgesetz ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad
einer Grenzfläche ...........................................
Totalreflexion und evaneszente Wellen. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . ..
33
42
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
Lichtwellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Lichtleitung durch Totalreflexion ............................
Moden in einem optischen Wellenleiter** . . . . .. . . . . . . . . . . . . ..
Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** ......................
Moden in einem dielektrischen Wellenleiter** . . . . . . . . . . . . . . ..
Lichtleitfasern ..............................................
Herstellung von Glasfasern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
44
45
50
54
56
60
60
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
Absorbierende und streuende Medien ........................
Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien .............
Die Farbe von Gegenständen ................................
Streuung von elektromagnetischen Wellen....................
64
64
65
66
Inhaltsve rze ichnis
VIII
3
Die Geometrische Optik
3.1
3.1.1
3.1.2
Das Fermatsche Prinzip ..................................... 70
Das Reflexionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz ............ 74
3.2
3.2.1
Strahlenablenkung durch ein Prisma ......................... 77
Der Regenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
3.3.8
3.3.9
3.3.10
Die optische Abbildung .....................................
Reelle und virtuelle Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Abbildung an einem Kugelspiegel ...........................
Abbildung durch brechende Kugelflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Abbildungsgleichung für dünne Linsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Dicke Linsen und Linsensysteme ............................
Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen
mit dem Matrizen-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Anwendungen der Matrizenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Linsenfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Begrenzungen in optischen Systemen ........................
Design und Herstellung von Objektiven ......................
97
103
105
111
114
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
Instrumente der geometrischen Optik ........................
Der Projektionsapparat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Die photographische Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Das Auge ...................................................
Vergrößernde optische Instrumente ...........................
115
115
117
121
123
4
Welleneigenschaften von Licht
135
4.1
4.1.1
4.1.2
Qualitative Behandlung der Beugung ......................... 136
Das Huygenssche Prinzip .................................... 136
Die Fresnelsche Beugung .................................... 138
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
Mathematische Behandlung der Beugung ....................
Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie** ...............
Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung ....................
Fraunhofersche Beugung ....................................
Das Babinetsche Prinzip .....................................
142
142
144
146
147
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung ................
Beugung an einem langen Spalt ..............................
Beugung an einer Rechteckblende ...........................
Beugung an einer kreisförmigen Öffnung .....................
Beugung am Doppelspalt ....................................
Beugung am Gitter ..........................................
Gitterspektrometer ..........................................
Beugung an mehrdimensionalen Gittern ......................
147
147
152
153
154
159
164
167
69
85
86
87
90
92
96
Inhaltsverzeichnis
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
IX
Interferenz ..................................................
Die Kohärenz von Lichtquellen ..............................
Spezielle Interferometeranordnungen ........................
Interferenzen dünner Schichten ..............................
Vielfachinterferenzen am Beispiel
des Fabry-Perot-Interferometers .............................
171
172
175
180
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
Anwendungen von Beugung und Interferenz ..................
Das Auflösungsvermögen optischer Geräte ...................
Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik ...
Holographie ................................................
Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel* ...............
Gauß sc he Bündel und abbildende Elemente ** ................
197
197
203
208
211
219
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.6.4
4.6.5
4.6.6
Die Polarisation von Licht ...................................
Polarisationszustände von Licht ..............................
Polarisatoren ................................................
Doppelbrechung ............................................
Anwendungen der Doppelbrechung ..........................
Induzierte Doppelbrechung ..................................
Optische Aktivität und Faraday-Effekt .......................
223
223
226
230
239
242
247
4.7
4.7.1
Nichtlineare Optik .......................................... 252
Mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung
verknüpfte Phänomene* ..................................... 253
Mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung
verknüpfte Phänomene* ..................................... 257
4.7.2
190
5
Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen
261
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
261
267
270
5.1.4
Der Photoeffekt .............................................
Eigenschaften von Photonen .................................
Licht ist Welle und Teilchenstrom ............................
Doppelspalt als Instrument zur Unterscheidung
von Welle und Teilchen ......................................
Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht* .........
271
274
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.2.8
Strahlungsgesetze und Lichtquellen ..........................
Strahlungsphysikalische Größen .............................
Lichttechnische Größen* ....................................
Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz .........................
Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers ............
Strahlungsgesetze ...........................................
Die Plancksche Strahlungsformel ............................
Lichtquellen für Beleuchtungszwecke* .......................
Der Laser ...................................................
285
285
290
292
294
296
298
302
305
x
Inhaltsverzeichnis
A
Anhang: Fouriertransformation
A.1
Fourierreihen ............................................... 313
A.2
Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer
Funktionen ................................................. 317
A.3
Eigenschaften der Fouriertransformation ..................... 320
A.4
Rechenregeln für Fouriertransformationen .................... 322
A.5
Eigenschaften der Deltafunktion ............................. 323
313
Vertiefende Literatur
325
Sachverzeichnis
327