Lichtstrahlen -Wellen - Photonen Wolfgang Zinth Ursula Zinth
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Optik Lichtstrahlen -Wellen - Photonen von Wolfgang Zinth Ursula Zinth 4., aktualisierte Auflage OldenbourgVerlag München Inhaltsverzeichnis v Vorwort 1 Einführung und historischer Überblick 1 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 13 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 22 23 26 28 2.3 2.3.1 2.3.2 30 31 2.3.3 Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen. . . . . . . . . . . . . . . . .. Reflexions- und Brechungsgesetz .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche Totalreflexion und evaneszente Wellen.. .. .. .. . . . 34 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.. .. . . . . . .. .. . .. .. . 45 45 50 54 56 60 61 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 67 Inhaltsverzeichnis VIII 69 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98 104 107 113 116 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 117 117 119 123 126 4 Welleneigenschaften von Licht 137 4.1 4.1.1 4.1.2 Qualitative Behandlung der Beugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138 Das Huygenssche Prinzip 138 Die Fresnelsche Beugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140 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 144 144 146 148 149 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 149 149 154 155 156 161 166 169 86 86 87 91 93 97 Inhaltsverzeichnis 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 Interferenz Die Kohärenz von Lichtquellen Spezielle Interferometeranordnungen Interferenzen dünner Schichten Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers IX , 173 ,. 174 177 182 192 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* '" Gaußsche Bündel und abbildende Elemente** 199 199 205 210 214 221 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 225 225 228 233 242 245 251 4.7 4.7.1 Nichtlineare Optik Mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpfte Phänomene* " Mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpfte Phänomene* 256 5 Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen 265 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 265 271 274 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 289 289 294 296 298 300 302 306 309 4.7.2 257 260 275 278 x Inhaltsverzeichnis A Anhang: Fouriertransformation 317 A.1 Fourierreihen 317 A.2 Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer Funktionen 321 A.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 324 AA Rechenrege1n für Fouriertransformationen 326 A.5 Eigenschaften der De1tafunktion 327 Vertiefende Literatur 329 Sachverzeichnis 331 Kapitel behandeln Themen mit starkem Anwendungsbezug. Abschnitte präsentieren umfangreiche theoretisch-mathematische Ableitungen und können beim ersten Lesen übergangen werden.
