Lichtstrahlen -Wellen - Photonen von Wolfgang Zinth und Ursula
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Lichtstrahlen -Wellen - Photonen von Wolfgang Zinth und Ursula Zinth Oldenbourg Verlag München Wien Inhalt Vorwort 1 Einführung und historischer Überblick 3 Licht als elektromagnetische Welle 7 Die Wellengleichung und ihre Lösungen Energie und Impuls von Licht Wellenpakete Phasen- und Gruppengeschwindigkeit 7 12 14 18 Dispersion von Licht Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante Der Brechungsindex Die Absorption von Licht Die Dispersion von dichten Medien Brechungsindex und Absorption von Metallen 20 21 23 24 26 29 Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen Reflexions- und Brechungsgesetz Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche Totalreflexion und evaneszente Wellen 30 31 Lichtwellenleiter Lichtleitung durch Totalreflexion Moden in einem optischen Wellenleiter** Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** Moden in einem dielektrischen Wellenleiter** Lichtleitfasern Herstellung von Glasfasern 42 42 48 51 54 58 58 Absorbierende und streuende Medien Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien Die Farbe von Gegenständen Streuung von elektromagnetischen Wellen 61 61 63 64 34 40 VI Inhalt 3 Die Geometrische Optik 67 3.1 3.1.1 3.1.2 Das Fermatsche Prinzip Das Reflexionsgesetz Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz 68 70 72 3.2 3.2.1 Strahlenablenkung durch ein Prisma Der Regenbogen 75 77 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 83 84 85 87 90 94 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 95 101 103 109 112 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 113 113 114 118 121 4 Welleneigenschaften von Licht 131 4.1 4.1.1 4.1.2 Qualitative Behandlung der Beugung Das Huygenssche Prinzip Die Fresnelsche Beugung 132 132 134 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 138 138 140 142 143 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 143 143 148 149 150 155 160 162 Inhalt 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 VII Interferenz Die Kohärenz von Lichtquellen Spezielle Interferometeranordnungen Interferenzen dünner Schichten Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers 166 168 171 176 185 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 Anwendungen von Beugung und Interferenz 192 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte 192 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik ... 198 Holographie 203 Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel* 207 Gaußsche Bündel und abbildende Elemente** 214 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 218 218 221 226 234 237 241 4.7 4.7.1 Nichtlineare Optik Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpft sind* Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpft sind* 246 247 5 Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen 255 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 255 261 264 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* 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 279 279 284 286 288 290 292 296 299 4.7.2 250 265 268 Inhalt VIII 6 Anhang: Fouriertransformation 307 6.1 Fourierreihen 307 6.2 Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer Funktionen 311 6.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 313 6.4 Rechenregeln für Fouriertransformationen 315 6.5 Eigenschaften der Deltafunktion 316 Vertiefende Literatur 319 Sachverzeichnis 321
