von Eugene Hecht 4., überarbeitete Auflage Oldenbourg Verlag

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von
Eugene Hecht
4., überarbeitete Auflage
Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer
Oldenbourg Verlag München Wien
Inhalt
Vorwort
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Ein kurzer Ausflug in die Geschichte
Vorbemerkung
Die Ursprünge
Vom siebzehnten Jahrhundert an
Das neunzehnte Jahrhundert
Das zwanzigste Jahrhundert
2
2.1
2.1.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
Die Wellenbewegung
Eindimensionale Wellen
Die Differenzialgleichung einer Welle
Harmonische Wellen
Phase und Phasengeschwindigkeit
Das Superpositionsprinzip
Die komplexe Darstellung
Zeiger und die Addition von Wellen
Ebene Wellen
Die dreidimensionale Wellengleichung
Kugelwellen
Zylinderwellen
Aufgaben
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.2
3.2.1
3.3
3.3.1
3.3.2
Theorie des Elektromagnetismus, Photonen und Licht
Die Grundgleichungen der Theorie des Elektromagnetismus
Das faradaysehe Induktionsgesetz
Der gaußsche Satz für das elektrische Feld
Der gaußsche Satz für das magnetische Feld
Das amperesche Verkettungsgesetz
Die maxwellschen Gleichungen
Elektromagnetische Wellen
Transversalwellen
Energie und Impuls
Der Poynting-Vektor
Die Bestrahlungsstärke
X
Inhalt
3.3.3
3.3.4
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.5
3.5.1
3.6
3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.5
3.6.6
3.6.7
3.7
Photonen
Strahlungsdruck und Impuls
Strahlung
Linear beschleunigte Ladungen
Synchrotronstrahlung
Elektrische Dipolstrahlung
Die Emission von Licht durch Atome
Licht in Materie
Dispersion
Das elektromagnetische Spektrum
Radiowellen
Mikrowellen
Infrarotstrahlung
Sichtbares Licht
Ultraviolettes Licht
Röntgenstrahlung
Gammastrahlung
Quantenfeldtheorie
Aufgaben
90
99
103
103
106
109
112
116
119
128
130
130
132
134
136
138
139
140
143
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.3
4.3.1
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.5
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.7
4.7.1
4.8
4.9
4.10
4.11
4.11.1
Die Ausbreitung des Lichts
Einführung
Rayleigh-Streuung
Streuung und Interferenz
Die Fortpflanzung des Lichts in dichten Medien
Transmission und Brechungsindex
Reflexion
Das Reflexionsgesetz
Brechung
Das Brechungsgesetz
Das huygenssche Prinzip
Lichtstrahlen und Normalkongruenz
Das fermatsche Prinzip
Der elektromagnetische Ansatz
Wellen an einer Grenzfläche
Die fresnelschen Gleichungen
Interpretation der fresnelschen Gleichungen
Innere Totalreflexion
Die abklingende Welle
Optische Eigenschaften von Metallen
Alltägliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie
Die stokessche Behandlung der Reflexion und Brechung
Photonen, Wellen und Wahrscheinlichkeit
Quantenelektrodynamik
Aufgaben
150
150
151
153
156
160
164
166
171
172
178
180
181
190
190
192
197
208
211
216
223
230
232
235
239
Inhalt
XI
5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.5
5.5.1
5.5.2
5.6
5.6.1
5.7
5.7.1
5.7.2
5.7.3
5.7.4
5.7.5
5.7.6
5.7.7
5.8
5.8.1
5.8.2
5.9
Geometrische Optik
Einführung
Linsen
Asphärische Flächen
Brechung an Kugelflächen
Dünne Linsen
Blenden
Apertur-und Feldblenden
Eintritts- und Austrittspupillen
Das Öffnungsverhältnis und die Blendenzahl
Spiegel
Ebene Spiegel
Asphärische Spiegel
Sphärische Spiegel
Prismen
Dispersionsprismen
Reflexionsprismen
Faseroptik
Technologie der Glasfaserübertragung
Optische Systeme
Das Auge
Die Brille
Die Lupe
Okulare
Das Mikroskop
Die Kamera
Das Fernrohr
Wellenfrontumformung
Adaptive Optik
Phasenkonjugation
Gravitationslinsen
Aufgaben
252
252
254
254
259
263
287
287
288
290
292
293
297
300
307
307
311
316
322
330
330
336
344
348
350
353
358
369
370
375
378
381
6
6.1
6.2
6.2.1
6.3
6.3.1
6.3.2
6.4
6.5
Geometrische Optik: Weiterführende Themen
Dicke Linsen und Linsensysteme
Strahlenverlaufsberechnung
Matrizenmethoden
Aberrationen
Monochromatische Aberrationen
Chromatische Aberrationen
Gradient-Index-Systeme
Abschließende Bemerkungen
Aufgaben
395
395
401
403
412
413
436
446
451
451
Inhalt
XII
7
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.1.4
7.2
7.2.1
7.2.2
7.3
7.3.1
7.4
7.4.1
7.4.2
7.4.3
7.4.4
Überlagerung von Wellen
Die Addition von Wellen gleicher Frequenz
Die algebraische Methode
Die komplexe Methode
Zeigeraddition
Stehende Wellen
Die Addition von Wellen verschiedener Frequenz
Schwebungen
Gruppengeschwindigkeit
Anharmonische periodische Wellen
Fourierreihen
Nichtperiodische Wellen
Fourier-Integrale
Impulse und Wellenpakete
Die Kohärenzlänge
Diskrete Fourier-Transformation
Aufgaben
455
456
456
463
464
467
475
475
479
490
490
500
500
504
509
513
519
8
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.1.5
8.2
8.2.1
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.5
8.5.1
8.6
8.6.1
8.7
8.7.1
8.7.2
8.8
8.9
Polarisation
Die Natur des polarisierten Lichts
Lineare Polarisation
Zirkulare Polarisation
Elliptische Polarisation
Natürliches Licht
Der Drehimpuls und das Photonenbild
Polarisatoren
Das malussche Gesetz
Dichroismus
Der Drahtgitterpolarisator
Dichroitische Kristalle
Das Polaroidfilter
Doppelbrechung
Kalkspat
Doppelbrechende Kristalle
Doppelbrechende Polarisatoren
Streuung und Polarisation
Polarisation durch Streuung
Polarisation durch Reflexion
Eine Anwendung der fresnelschen Gleichungen
Phasenschieber
Phasenplättchen und Rhomboeder
Kompensatoren
Zirkularpolarisatoren
Polarisation von polychromatischem Licht
526
526
527
529
530
533
534
536
537
539
539
540
541
544
546
553
555
557
559
561
565
567
567
574
576
577
Inhalt
8.9.1
8.9.2
8.10
8.10.1
8.10.2
8.11
8.11.1
8.11.2
8.11.3
8.12
8.13
8.13.1
8.13.2
8.13.3
XIII
Bandbreite und Kohärenzzeit einer polychromatischen Welle
Interferenzfarben
Optische Aktivität
Ein Modell
Optisch aktive Biomoleküle
Erzwungene optische Effekte - Optische Modulatoren
Photoelastizität
Der Faraday-Effekt
Der Kerr-Effekt und der Pockels-Effekt
Flüssigkristalle
Eine mathematische Beschreibung der Polarisation
Die stokesschen Parameter
Diejonesschen Vektoren
Die jonesschen und die Mueller-Matrizen
Aufgaben
577
579
580
585
587
588
588
590
593
597
602
602
605
608
612
9
Interferenz
9.1
Allgemeine Betrachtungen
9.2
Interferenzbedingungen
9.2.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz
9.2.2 Die Fresnel-Arago-Gesetze
9.3 Interferometer mit Wellenfrontauf Spaltung
9.3.1 Das youngsche Doppelspaltexperiment
9.4
Interferometer mit Amplitudenaufspaltung
9.4.1 Dielektrische Schichten - Zweistrahlinterferenz
9.4.2 Spiegel-Interferometer
9.5
Typen und Lokalisierung von Interferenzmustern
9.6
Mehrstrahlinterferenz
9.6.1 Das Fabry-Perot-Interferometer
9.7
Anwendungen von Ein- und Mehrschichtfilmen
9.7.1 Mathematische Behandlung
9.7.2 Reflexmindernde Schichten
9.7.3 Periodische Mehrschichtsysteme
9.8
Anwendungen der Interferometrie
9.8.1 Streulichtinterferenz
9.8.2 Das Twyman-Green-Interferometer
9.8.3 Das rotierende Sagnac-Interferometer
9.8.4 Radarinterferometrie
Aufgaben
623
624
631
631
634
635
635
646
647
658
667
670
678
686
687
691
693
696
696
700
701
703
707
10
10.1
10.1.1
10.1.2
715
715
716
719
Beugung
Einleitende Betrachtungen
Das Fresnel-Huygens-Prinzip
Undurchsichtige Hindernisse
Inhalt
XIV
10.1.3 Fraunhofer-und Fresnelbeugung
10.1.4 Mehrere kohärente Oszillatoren
10.2 Fraunhoferbeugung
10.2.1 Beugung am Einzelspalt
10.2.2 Beugung am Doppelspalt
10.2.3 Beugung an vielen Spalten
10.2.4 Beugung an einer rechteckigen Öffnung
10.2.5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung
10.2.6 Das Auflösungsvermögen abbildender Systeme
10.2.7 Der Besselstrahl nullter Ordnung
10.2.8 Das Beugungsgitter
10.3 Fresnelbeugung
10.3.1 Die freie Ausbreitung einer Kugelwelle
10.3.2 Die Vibrationskurve
10.3.3 Kreisförmige Öffnungen
10.3.4 Kreisförmige Hindernisse
10.3.5 Die fresnelsche Zonenplatte
10.3.6 Die fresnelschen Integrale und die Beugung am rechteckigen Loch . .
10.3.7 Die Cornu-Spirale
10.3.8 Fresnelbeugung am Spalt
10.3.9 Beugung am halbunendlichen, undurchsichtigen Schirm
10.3.10 Beugung an einem schmalen Hindernis
10.3.11 Das Prinzip von Babinet
10.4
Die skalare Beugungstheorie von Kirchhoff
10.5
Beugungswellen
Aufgaben
722
724
729
729
736
741
747
752
759
763
765
779
779
786
788
793
795
799
803
809
813
815
817
819
824
827
11
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
11.3.5
Fourier-Optik
Einleitung
Fourier-Transformierte
Eindimensionale Transformierte
Zweidimensionale Transformierte
Die diracsche Delta-Funktion
Optische Anwendungen
Lineare Systeme
Das Faltungsintegral
Fourier-Methoden in der Beugungstheorie
Spektren und Korrelation
Übertragungsfunktionen
Aufgaben
835
835
836
836
840
846
854
854
859
868
876
887
896
12
12.1
12.2
Grundlagen der Kohärenztheorie
Einführung
Die Sichtbarkeit
901
901
905
Inhalt
XV
12.3
12.3.1
12.4
12.4.1
12.4.2
Die wechselseitige Kohärenzfunktion und der Kohärenzgrad
Zeitliche und räumliche Kohärenz
Kohärenz und Stellarinterferometrie
DasMichelson-Stellarinterferometer
Korrelationsinterferometrie
Aufgaben
913
918
920
920
923
929
13
13.1
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.1.4
13.2
13.2.1
13.2.2
13.2.3
13.2.4
13.2.5
13.3
13.3.1
13.3.2
13.4
13.4.1
13.4.2
13.4.3
13.4.4
Moderne Optik
Laser und Laserstrahlung
Strahlungsenergie und Materie im Gleichgewicht
Induzierte Emission
Der Laser
Das Wunder Laserlicht
Das Bild als räumliche Verteilung optischer Information
Raumfrequenzen
Die abbesche Bildentstehungstheorie
Räumliche Filterung
Phasenkontrast
Die Dunkelfeld-und die Schlierenmethode
Holographie
Verfahren
Entwicklungen und Anwendungen
Nichtlineare Optik
Optische Gleichrichtung
Erzeugung von Harmonischen
Frequenzmischung
Selbstfokussierung von Licht
Aufgaben
933
933
934
941
947
966
974
974
978
981
989
995
998
998
1013
1020
1022
1023
1026
1028
1028
Anhang 1: Theorie des Elektromagnetismus
1
Die maxwellschen Gleichungen in differenzieller Form
2
Elektromagnetische Wellen
1036
1036
1037
Anhang 2: Kirchhoffsche Beugungstheorie
1041
Lösungen ausgewählter Aufgaben
1043
Literatur
1092
Sachverzeichnis
1099
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