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
