Optik (eBook)

Vorwort 5
1 Einführung und historischer Überblick 11
2 Licht als elektromagnetischeWelle 15
2.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen 15
2.1.1 Energie und Impuls von Licht 20
2.1.2 Wellenpakete 23
2.1.3 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit 26
2.2 Dispersion von Licht 29
2.2.1 Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante 29
2.2.2 Der Brechungsindex 32
2.2.3 Die Absorption von Licht 33
2.2.4 Die Dispersion von dichtenMedien 36
2.2.5 Brechungsindex und Absorption von Metallen 38
2.3 ElektromagnetischeWellen an Grenzflächen 40
2.3.1 Reflexions- und Brechungsgesetz 41
2.3.2 Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche 44
2.3.3 Totalreflexion und evaneszenteWellen 52
2.4 Lichtwellenleiter 55
2.4.1 Lichtleitung durch Totalreflexion 55
2.4.2 Moden in einem optischenWellenleiter** 60
2.4.3 Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** 64
2.4.4 Moden in einem dielektrischenWellenleiter** 66
2.4.5 Lichtleitfasern 70
2.4.6 Herstellung von Glasfasern 71
2.5 Absorbierende und streuendeMedien 74
2.5.1 Das Reflexionsvermögen absorbierenderMedien 74
2.5.2 Die Farbe von Gegenständen 75
2.5.3 Streuung von elektromagnetischenWellen 77
3 Die Geometrische Optik 79
3.1 Das Fermatsche Prinzip 80
3.1.1 Das Reflexionsgesetz 82
3.1.2 Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz 84
3.2 Strahlenablenkung durch ein Prisma 87
3.2.1 Der Regenbogen 89
3.3 Die optische Abbildung 96
3.3.1 Reelle und virtuelle Abbildungen 96
3.3.2 Abbildung an einem Kugelspiegel 97
3.3.3 Abbildung durch brechende Kugelflächen 101
3.3.4 Abbildungsgleichung für dünne Linsen 103
3.3.5 Dicke Linsen und Linsensysteme 107
3.3.6 Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen mit demMatrizen-Verfahren 108
3.3.7 Anwendungen der Matrizenmethode 114
3.3.8 Linsenfehler 117
3.3.9 Begrenzungen in optischen Systemen 123
3.3.10 Design und Herstellung von Objektiven 126
3.4 Instrumente der geometrischenOptik 127
3.4.1 Der Projektionsapparat 127
3.4.2 Die photographische Kamera 129
3.4.3 Das Auge 133
3.4.4 Vergrößernde optische Instrumente 136
4 Welleneigenschaften von Licht 147
4.1 Qualitative Behandlung der Beugung 148
4.1.1 Das Huygenssche Prinzip 148
4.1.2 Die Fresnelsche Beugung 150
4.2 Mathematische Behandlung der Beugung 154
4.2.1 Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie** 154
4.2.2 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung 156
4.2.3 Fraunhofersche Beugung 158
4.2.4 Das Babinetsche Prinzip 159
4.3 Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung 159
4.3.1 Beugung an einem langen Spalt 159
4.3.2 Beugung an einer Rechteckblende 164
4.3.3 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 165
4.3.4 Beugung am Doppelspalt 166
4.3.5 Beugung am Gitter 171
4.3.6 Gitterspektrometer 176
4.3.7 Beugung an mehrdimensionalen Gittern 179
4.4 Interferenz 183
4.4.1 Die Kohärenz von Lichtquellen 184
4.4.2 Spezielle Interferometeranordnungen 187
4.4.3 Interferenzen dünner Schichten 192
4.4.4 Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers 202
4.5 Anwendungen von Beugung und Interferenz 209
4.5.1 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte 209
4.5.2 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik 215
4.5.3 Holographie 220
4.5.4 Laser-Strahlen – Die Optik Gaußscher Bündel* 224
4.5.5 Gaußsche Bündel und abbildende Elemente** 231
4.6 Die Polarisation von Licht 235
4.6.1 Polarisationszustände von Licht 235
4.6.2 Polarisatoren 238
4.6.3 Doppelbrechung 243
4.6.4 Anwendungen der Doppelbrechung 252
4.6.5 Induzierte Doppelbrechung 255
4.6.6 Optische Aktivität und Faraday-Effekt 261
4.7 Nichtlineare Optik 266
4.7.1 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpfte Phänomene* 267
4.7.2 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpfte Phänomene* 270
5 Quantenphänomene: Licht alsWelle und Teilchen 275
5.1 Der Photoeffekt 275
5.1.1 Eigenschaften von Photonen 281
5.1.2 Licht istWelle und Teilchenstrom 284
5.1.3 Doppelspalt als Instrument zur Unterscheidung vonWelle und Teilchen 285
5.1.4 Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht* 288
5.2 Strahlungsgesetze und Lichtquellen 299
5.2.1 Strahlungsphysikalische Größen 299
5.2.2 LichttechnischeGrößen* 304
5.2.3 Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz 306
5.2.4 Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers 308
5.2.5 Strahlungsgesetze 310
5.2.6 Die Plancksche Strahlungsformel 312
5.2.7 Lichtquellen für Beleuchtungszwecke* 316
5.2.8 Der Laser 319
A Anhang: Fouriertransformation 327
A.1 Fourierreihen 327
A.2 Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer Funktionen 331
A.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 334
A.4 Rechenregeln für Fouriertransformationen 336
A.5 Eigenschaften der Deltafunktion 337
Vertiefende Literatur 339
Sachverzeichnis 341

"Zusammenfassend ein sehr gutes Buch, das die physikalischen Grundlagen der Optik mathematisch exakt und dennoch gut verständlich darstellt." Jürgen Bischoff in: Physik Journal, Februar 2010