Optik

Prof. Dr. Eugene Hecht lehrt an der Adelphi University, USA.

1;Vorwort;6
2;Inhalt;10
3;1 Ein kurzer Ausflugin die Geschichte;20
4;2 Die Wellenbewegung;36
5;3 Theorie des Elektromagnetismus,Photonen und Licht;82
6;4 Die Ausbreitung des Lichts;170
7;5 Geometrische Optik;272
8;6 Geometrische Optik:Weiterführende Themen;416
9;7 Überlagerung von Wellen;476
10;8 Polarisation;548
11;9 Interferenz;646
12;10 Beugung;738
13;11 Fourier-Optik;858
14;12 Grundlagen der Kohärenztheorie;924
15;13 Moderne Optik;956
16;Anhang 1:Theorie des Elektromagnetismus;1060
17;Anhang 2:Kirchhoffsche Beugungstheorie;1066
18;Lösungen ausgewählter Aufgaben;1068
19;Literatur;1118
20;Sachverzeichnis;1126

1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte (S. 1)

1.1 Vorbemerkung

Thema dieses Buches ist eine formale Behandlung eines Großteils der Optik, wobei der Schwerpunkt auf modernen Aspekten liegen wird. Dieses umfangreiche Wissen hat sich im Laufe von dreitausend Jahren Menschheitsgeschichte angesammelt. Bevor wir uns damit auseinander setzen, was man heutzutage unter Optik versteht, wollen wir kurz den Weg verfolgen, der uns bis hierher gebracht hat – zumindest, um dieses Wissensgebiet einmal im Kontext zu sehen.

1.2 Die Ursprünge

Die optische Technologie lässt sich bis in die Antike zurückverfolgen. In Exodus 38.8 (ca. 1200 v. Chr) lesen wir, wie Bezaleel bei der Vorbereitung von Lade und Tempel die "Spiegel der Frauen" zu einem bronzenen Gefäß (einem Zeremonienbecken) umgoss. Die frühen Spiegel bestanden aus poliertem Kupfer und Bronze, später aus Spiegelmetall, einer zinnreichen Kupferlegierung.

Einzelne Stücke aus dem alten Ägypten sind erhalten geblieben, unter anderem ein Spiegel in hervorragendem Zustand, den man zusammen mit anderen Geräten im Bereich der Arbeiterlager nahe der Pyramide von Sesostris dem Zweiten (ca. 1900 v. Chr.) im Niltal ausgrub.

Die griechischen Philosophen Pythagoras, Demokrit, Empedokles, Plato, Aristoteles und andere entwickelten mehrere Theorien der Natur des Lichts, die Vorstellungen des Aristoteles finden sich in ähnlicher Weise in der Äther-Theorie des neunzehnten Jahrhunderts wieder. Dass Licht sich geradlinig ausbreitet, war ebenso bekannt wie das Reflexionsgesetz, das Euklid 300 v. Chr. in seinem Buch Katoptrik beschrieb. Hero von Alexandria versuchte, beide Phänomene damit zu erklären, dass Licht stets den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten nimmt.

Eine Anspielung auf das Brennglas – eine Sammellinse, mit der man Feuer entzündete – findet sich in der Komödie Die Wolken von Aristophanes (424 v. Chr.). In Platos Staat wird erwähnt, dass Gegenstände, die man in Wasser taucht, an der Wasseroberfläche scheinbar abknicken.

Kleomedes und später Claudius Ptolemäus (50 bzw. 130 n. Chr.) aus Alexandria untersuchten die Brechung, von Letzterem sind uns Tabellen mit ziemlich genauen Messwerten für Einfalls- und Brechungswinkel in verschiedenen Medien überliefert.

Aus den Aufzeichnungen des Geschichtsschreibers Plinius (23 bis 79 n. Chr.) weiß man, dass auch die Römer das Brennglas kannten. In römischen Ruinen fand man Glas- und Kristallkugeln, in Pompeji eine plankonvexe Linse. Der römische Philosoph Seneca (3 v. Chr. bis 65 n. Chr.) berichtete, dass man eine wassergefüllte Glaskugel zur Vergrößerung benutzen kann. Wahrscheinlich haben römische Künstler solche Vergrößerungsgläser verwendet, um sich die Ausführung filigraner Arbeiten zu erleichtern.

Nach dem Niedergang des Weströmischen Reiches (475 n. Chr.), der ungefähr dem Beginn des frühen Mittelalters entspricht, waren in Europa für längere Zeit kaum wissenschaftliche Erfolge zu verzeichnen.

Die von griechisch-römisch-christlicher Kultur dominierten Mittelmeerländer fielen rasch unter die Herrschaft Allahs. So verschob sich das Zentrum der Gelehrsamkeit in die arabische Welt, wo auch die Optik untersucht und erweitert wurde, insbesondere von Alhazen (ca. 1000 n. Chr.).

Alhazen arbeitete am Reflexionsgesetz, indemer den Einfalls- und den Reflexionswinkel in eine gemeinsame Ebene senkrecht zur Grenzfläche legte, er beschäftigte sich mit Kugelund Parabolspiegeln und beschrieb das menschliche Auge sehr ausführlich.