Optik: Lichtstrahlen, Wellen, Photonen
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München [u.a.]
Oldenbourg
2005
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
Vorwort .................................................... 1
1 Einführung und historischer Überblick 3
2 Licht als elektromagnetische Welle 7
2.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen ..................... 7
2.1.1 Energie und Impuls von Licht................................ 12
2.1.2 Wellenpakete ............................................... 14
2.1.3 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit........................ 18
2.2 Dispersion von Licht........................................ 20
2.2.1 Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante........ 21
2.2.2 Der Brechungsindex ........................................ 23
2.2.3 Die Absorption von Licht.................................... 24
2.2.4 Die Dispersion von dichten Medien.......................... 26
2.2.5 Brechungsindex und Absorption von Metallen................ 29
2.3 Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen.................. 30
2.3.1 Reflexions- und Brechungsgesetz............................ 31
2.3.2 Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad
einer Grenzfläche........................................... 34
2.3.3 Totalreflexion und evaneszente Wellen ....................... 40
2.4 Lichtwellenleiter............................................ 42
2.4.1 Lichtleitung durch Totalreflexion ............................ 42
2.4.2 Moden in einem optischen Wellenleiter**.................... 48
2.4.3 Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** ...................... 51
2.4.4 Moden in einem dielektrischen Wellenleiter**................ 54
2.4.5 Lichtleitfasern .............................................. 58
2.4.6 Herstellung von Glasfasern.................................. 58
2.5 Absorbierende und streuende Medien........................ 61
2.5.1 Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien ............. 61
2.5.2 Die Farbe von Gegenständen ................................ 63
2.5.3 Streuung von elektromagnetischen Wellen.................... 64
VI
3
Die
Geometrische Optik
67
3.1 Das Fermatsche Prinzip ..................................... 68
3.1.1 Das Reflexionsgesetz........................................ 70
3.1.2 Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz ............ 72
3.2 Strahlenablenkung durch ein Prisma ......................... 75
3.2.1 Der Regenbogen............................................ 77
3.3 Die optische Abbildung ..................................... 83
3.3.1 Reelle und virtuelle Abbildungen............................ 84
3.3.2 Abbildung an einem Kugelspiegel ........................... 85
3.3.3 Abbildung durch brechende Kugelflächen.................... 87
3.3.4 Abbildungsgleichung für dünne Linsen....................... 90
3.3.5 Dicke Linsen und Linsensysteme ............................ 94
3.3.6 Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen
mit dem Matrizen-Verfahren................................. 95
3.3.7 Anwendungen der Matrizenmethode......................... 101
3.3.8 Linsenfehler................................................103
3.3.9 Begrenzungen in optischen Systemen........................109
3.3.10 Design und Herstellung von Objektiven...................... 112
3.4 Instrumente der geometrischen Optik ........................ 113
3.4.1 Der Projektionsapparat...................................... 113
3.4.2 Die photographische Kamera................................114
3.4.3 Das Auge................................................... 118
3.4.4 Vergrößernde optische Instrumente........................... 121
4 Welleneigensehaften von Licht 131
4.
1
Qualitative Behandlung der Beugung.........................132
4.1.1 Das Huygenssche Prinzip.................................... 132
4.1.2 Die Fresnelsche Beugung.................................... 134
4.2 Mathematische Behandlung der Beugung .................... 138
4.2.1 Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie** ...............138
4.2.2 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung.................... 140
4.2.3 Fraunhofersche Beugung.................................... 142
4.2.4 Das Babinetsche Prinzip ..................................... 143
4.3 Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung................143
4.3.1 Beugung an einem langen Spalt.............................. 143
4.3.2 Beugung an einer Rechteckblende ........................... 148
4.3.3 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung..................... 149
4.3.4 Beugung am Doppelspalt.................................... 150
4.3.5 Beugung am Gitter.......................................... 155
4.3.6 Gitterspektrometer.......................................... 160
4.3.7 Beugung an mehrdimensionalen Gittern......................162
Inhalt
VII
4.4 Interferenz.................................................. 166
4.4.1 Die Kohärenz von Lichtquellen.............................. 168
4.4.2 Spezielle
Interťerometeranordnungen
........................ 171
4.4.3 Interferenzen dünner Schichten.............................. 1 76
4.4.4 Vielfachinterferenzen am Beispiel
des Fabry-Perot-Interferometers ............................. 185
4.5 Anwendungen von Beugung und Interferenz.................. 192
4.5.1 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte................... 192
4.5.2 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik ...
1
98
4.5.3 Holographie................................................203
4.5.4 Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel*...............207
4.5.5 Gaußsche Bündel und abbildende Elemente**................214
4.6 Die Polarisation von Licht...................................218
4.6.1 Polarisalionszustande von Licht..............................218
4.6.2 Polarisatoren................................................22
1
4.6.3 Doppelbrechung............................................226
4.6.4 Anwendungen der Doppelbrechung..........................234
4.6.5 Induzierte Doppelbrechung..................................237
4.6.6 Optische Aktivität und Faraday-Effekt .......................241
4.7 Nichtlineare Optik ..........................................246
4.7.1 Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität
zweiter Ordnung verknüpft sind* ............................247
4.7.2 Phänomene, die mit der niehtlinearen Suszeptibilität
dritter Ordnung verknüpft sind*..............................250
5 Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen 255
5.1 Der Photoeffekt.............................................255
5.1.1 Eigenschaften von Photonen.................................261
5.1.2 Licht ist Welle und Teilchenstrom............................264
5.1.3 Doppel.spalt als Instrument zur Unterscheidung
von Welle und Teilchen......................................265
5.1.4 Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht*.........268
5.2 Strahlungsgesetze und Lichtquellen..........................279
5.2.1 Strahlungsphysikalische Größen.............................279
5.2.2 Lichttechnische Größen*....................................284
5.2.3 Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz .........................286
5.2.4 Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers............288
5.2.5 Strahlungsgesetze...........................................290
5.2.6 Die Plancksehe Strahlungsformel............................292
5.2.7 Lichtquellen für Beleuchtungszwecke*.......................296
5.2.8 Der Laser...................................................299
VIII Inhalt
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
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