Von Eugen Hecht 3., vollständig überarbeitete Auflage
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Optik Von Eugen Hecht 3., vollständig überarbeitete Auflage Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer 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 1 1 1 3 6 11 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 Differentialgleichung 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 17 18 22 24 29 33 35 38 41 46 48 52 54 3 Theorie des Elektromagnetismus, Photonen und Licht 3.1 Die Grundgleichungen der Theorie des Elektromagnetismus 3.1.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz 3.1.2 Der Gaußsche Satz für das elektrische Feld 3.1.3 Der Gaußsche Satz für das magnetische Feld 3.1.4 Das Amperesche Verkettungsgesetz 3.1.5 Die Maxwellschen Gleichungen 3.2 Elektromagnetische Wellen 3.2.1 Transversalwellen 3.3 Energie und Impuls 3.3.1 Der Poynting- Vektor 59 60 61 63 64 65 68 69 72 75 75 3.3.2 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 Die Bestrahlungsstärke 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 79 81 90 93 94 97 100 103 106 108 118 118 120 121 123 125 127 128 128 131 4 Die Ausbreitung des Lichts 137 4.1 Einführung 137 4.2 Rayleigh-Streuung 138 4.2.1 Streuung und Interferenz 140 4.2.2 Die Fortpflanzung des Lichts in dichten Medien 143 4.2.3 Transmission und Brechungsindex 146 4.3 Reflexion 151 4.3.1 Das Reflexionsgesetz 153 4.4 Brechung 158 4.4.1 Das Brechungsgesetz 158 4.4.2 Das Huygenssche Prinzip 163 4.4.3 Lichtstrahlen und Normalkongruenz 165 4.5 Das Fermatsche Prinzip 166 4.6 Der elektromagnetische Ansatz 172 4.6.1 Wellen an einer Grenzfläche 172 4.6.2 Die Fresnelschen Gleichungen 175 4.6.3 Interpretation der Fresnelschen Gleichungen 179 4.7 Innere Totalreflexion 190 4.7.1 Die abklingende Welle 193 4.8 Optische Eigenschaften von Metallen 198 4.9 Alltägliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie . 205 4.10 Die Stokessche Behandlung der Reflexion und Brechung 212 4.11 Photonen, Wellen und Wahrscheinlichkeit 4.11.1 Quantenelektrodynamik Aufgaben 214 216 220 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 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 Aufgaben 231 231 233 233 238 242 265 265 266 268 271 271 274 277 284 284 288 293 299 304 304 311 318 322 324 327 332 343 343 348 351 6 6.1 6.2 6.2.1 6.3 6.3.1 6.3.2 Geometrische Optik: Weiterführende Themen Dicke Linsen und Linsensysteme Strahlenverlaufsberechnung Matrizenmethoden Aberrationen Monochromatische Aberrationen Chromatische Aberrationen 363 363 369 371 380 381 401 6.4 6.5 Gradient-Index-Systeme Abschließende Bemerkungen Aufgaben 411 414 415 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 420 421 421 427 428 430 435 436 438 443 444 451 453 455 459 463 469 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 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 475 475 475 477 479 482 482 485 485 487 487 488 490 492 494 501 503 505 507 509 512 8.7 8.7.1 8.7.2 8.8 8.9 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 8.12.1 8.12.2 8.12.3 Phasenschieber Phasenplättchen und Rhomboeder Kompensatoren Zirkularpolarisatoren Polarisation von polychromatischem Licht Bandbreite und Kohärenzzeit einer polychromatischen Welle Interferenzfarben Optische Aktivität Ein Modell Optisch aktive Biomoleküle Erzwungene optische Effekte - Optische Modulatoren Photoelastizität Der Faradayeffekt Der Kerr-Effekt und der Pockels-Effekt Eine mathematische Beschreibung der Polarisation Die Stokesschen Parameter Die Jonesschen Vektoren Die Jonesschen und die Mueller-Matrizen Aufgaben 514 514 520 522 523 523 525 527 531 534 534 534 536 539 543 544 547 549 553 9 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.6 9.6.1 9.7 9.7.1 9.7.2 9.7.3 9.8 9.8.1 9.8.2 9.8.3 Interferenz Allgemeine Betrachtungen Interferenzbedingungen Zeitliche und räumliche Kohärenz Die Fresnel-Arago-Gesetze Interferometer mit Wellenfrontaufspaltung Das Youngsche Doppelspaltexperiment Interferometer mit Amplitudenaufspaltung Dielektrische Schichten - Zweistrahlinterferenz Spiegel-Interferometer Typen und Lokalisierung von Interferenzmustern Mehrstrahlinterferenz Das Fabry-Perot-Interferometer Anwendungen von Ein- und Mehrschichtfilmen Mathematische Behandlung Reflexmindernde Schichten Periodische Mehrschichtsysteme Anwendungen der Interferometrie Streulichtinterferenz Das Twyman-Green-Interferometer Das rotierende Sagnac-Interferometer Aufgaben 562 563 570 570 573 574 574 585 586 596 606 609 617 625 626 630 632 635 635 639 640 642 10 Beugung 649 10.1 Einleitende Betrachtungen 649 10.1.1 Das Fresnel-Huygens-Prinzip 650 10.1.2 Undurchsichtige Hindernisse 653 10.1.3 Fraunhofer-und Fresnelbeugung 656 10.1.4 Mehrere kohärente Oszillatoren 658 10.2 Fraunhoferbeugung 663 10.2.1 Beugung am Einzelspalt 663 10.2.2 Beugung am Doppelspalt 670 10.2.3 Beugung an vielen Spalten 675 10.2.4 Beugung an einer rechteckigen Öffnung 681 10.2.5 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 686 10.2.6 Das Auflösungsvermögen abbildender Systeme 692 10.2.7 Das Beugungsgitter 696 10.3 Fresnelbeugung 710 10.3.1 Die freie Ausbreitung einer Kugelwelle 710 10.3.2 Die Vibrationskurve 716 10.3.3 Kreisförmige Öffnungen 718 10.3.4 Kreisförmige Hindernisse 723 10.3.5 Die Fresnelsche Zonenplatte 726 10.3.6 Die Fresnelschen Integrale und die Beugung am rechteckigen Loch . . 729 10.3.7 Die Cornu-Spirale 734 10.3.8 Fresnelbeugung am Spalt 739 10.3.9 Beugung am halbunendlichen, undurchsichtigen Schirm 743 10.3.10 Beugung an einem schmalen Hindernis 745 10.3.11 Das Prinzip von Babinet 747 10.4 Die skalare Beugungstheorie von Kirchhoff 750 10.5 Beugungswellen 754 Aufgaben 757 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 765 765 766 766 770 776 784 784 789 798 806 817 826 12 12.1 12.2 12.3 12.3.1 12.4 12.4.1 12.4.2 Grundlagen der Kohärenztheorie Einführung Die Sichtbarkeit Die wechselseitige Kohärenzfunktion und der Kohärenzgrad Zeitliche und räumliche Kohärenz Kohärenz und Stellarinterferometrie Das Michelson-Stellarinterferometer Korrelationsinterferometrie Aufgaben 831 831 835 843 847 850 850 853 859 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 862 862 863 870 876 892 901 901 905 908 916 922 925 925 940 947 949 950 953 955 955 Anhang 1: Theorie des Elektromagnetismus 1 Die Maxwellschen Gleichungen in differentieller Form 2 Elektromagnetische Wellen 963 963 964 Anhang 2: Kirchhoffsche Beugungstheorie 968 Lösungen ausgewählter Aufgaben 970 Literatur 1017 Sachverzeichnis 1023
