Leser schätzen dieses Lehrbuch vor allem wegen seines ausgewogenen didaktischen Konzepts. Leicht verständlich erklärt es die Mathematik der Wellenbewegung, behandelt ausführlich die klassischen und modernen Methoden der Optik und erkundet die Neuerungen und großen Entwicklungen bei z.B. Laser, Faseroptik, Holographie, Fourier-Optik und nichtlineare Optik. Ziel des Autors ist dabei, die Optik im Rahmen einiger weniger, übergreifender Konzepte zu vereinheitlichen, so dass Studierende ein in sich geschlossenes, zusammenhängendes Bild erhalten. Abgerundet wird das Buch durch zahlreiche, didaktisch hervorragend aufbereitete Abbildungen und viele aktuelle Fotos. Über 600 Übungsaufgaben verschiedener Schwierigkeitsgrade, die zu einem großen Teil mit vollständigen Lösungen vorliegen, ermöglichen dem Studierenden, sein Wissen selbständig zu überprüfen.Prof. Dr. Eugene Hecht lehrt an der Adelphi University, USA.
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Vorwort zur vierten Originalausgabe V
Verwendete Symbole XVI
1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte 1
1.1 Vorbemerkung 1
1.2 Die Ursprünge 1
1.3 Vom siebzehnten Jahrhundert an 3
1.4 Das neunzehnte Jahrhundert 6
1.5 Das zwanzigste Jahrhundert 11
2 DieWellenbewegung 17
2.1 EindimensionaleWellen 18
2.1.1 Die Differenzialgleichung einer Welle 22
2.2 Harmonische Wellen 25
2.3 Phase und Phasengeschwindigkeit 30
2.4 Das Superpositionsprinzip 34
2.5 Die komplexe Darstellung 36
2.6 Zeiger und die Addition von Wellen 39
2.7 Ebene Wellen 42
2.8 Die dreidimensionale Wellengleichung 47
2.9 Kugelwellen 49
2.10 Zylinderwellen 53
Aufgaben 55
3 Theorie des Elektromagnetismus, Photonen und Licht 63
3.1 Die Grundgleichungen der Theorie des Elektromagnetismus 64
3.1.1 Das faradaysche Induktionsgesetz 65
3.1.2 Der gaußsche Satz für das elektrische Feld69
3.1.3 Der gaußsche Satz für das magnetische Feld 72
3.1.4 Das ampèresche Verkettungsgesetz 73
3.1.5 Die maxwellschen Gleichungen 77
3.2 ElektromagnetischeWellen 78
3.2.1 Transversalwellen 82
3.3 Energie und Impuls 85
3.3.1 Der Poynting-Vektor 85
3.3.2 Die Bestrahlungsstärke 89
3.3.3 Photonen 91
3.3.4 Strahlungsdruck und Impuls 100
3.4 Strahlung 104
3.4.1 Linear beschleunigte Ladungen 104
3.4.2 Synchrotronstrahlung 107
3.4.3 Elektrische Dipolstrahlung 110
3.4.4 Die Emission vonLicht durchAtome 113
3.5 Licht in Materie 117
3.5.1 Dispersion 120
3.6 Das elektromagnetische Spektrum 129
3.6.1 Radiowellen 131
3.6.2 Mikrowellen 131
3.6.3 Infrarotstrahlung 133
3.6.4 SichtbaresLicht 135
3.6.5 Ultraviolettes Licht 137
3.6.6 Röntgenstrahlung 139
3.6.7 Gammastrahlung 140
3.7 Quantenfeldtheorie 141
Aufgaben 144
4 Die Ausbreitung des Lichts 151
4.1 Einführung 151
4.2 Rayleigh-Streuung 152
4.2.1 Streuung und Interferenz 154
4.2.2 DieFortpflanzung des Lichts in dichten Medien 157
4.2.3 Transmission und Brechungsindex 161
4.3 Reflexion 165
4.3.1 Das Reflexionsgesetz 167
4.4 Brechung 172
4.4.1 Das Brechungsgesetz 173
4.4.2 Das huygenssche Prinzip 179
4.4.3 Lichtstrahlen und Normalkongruenz 181
4.5 Das fermatsche Prinzip 182
4.6 Der elektromagnetische Ansatz 191
4.6.1 Wellen an einer Grenzfläche 191
4.6.2 Die fresnelschen Gleichungen 193
4.6.3 Interpretation der fresnelschen Gleichungen 198
4.7 Innere Totalreflexion 209
4.7.1 Die abklingendeWelle 212
4.8 Optische Eigenschaften von Metallen 217
4.9 Alltägliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie 224
4.10 Die stokessche Behandlung der Reflexion und Brechung 231
4.11 Photonen,Wellen und Wahrscheinlichkeit 233
4.11.1 Quantenelektrodynamik 236
Aufgaben 240
5 Geometrische Optik 253
5.1 Einführung 253
5.2 Linsen 255
5.2.1 Asphärische Flächen 255
5.2.2 Brechung an Kugelflächen 260
5.2.3 Dünne Linsen 264
5.3 Blenden 288
5.3.1 Apertur- und Feldblenden 288
5.3.2 Eintritts- und Austrittspupillen 289
5.3.3 Das Öffnungsverhältnis und die Blendenzahl 291
5.4 Spiegel 293
5.4.1 Ebene Spiegel 294
5.4.2 Asphärische Spiegel 298
5.4.3 Sphärische Spiegel 301
5.5 Prismen 308
5.5.1 Dispersionsprismen 308
5.5.2 Reflexionsprismen 312
5.6 Faseroptik 317
5.6.1 Technologie der Glasfaserübertragung 323
5.7 Optische Systeme 331
5.7.1 Das Auge 331
5.7.2 Die Brille 337
5.7.3 Die Lupe 345
5.7.4 Okulare 349
5.7.5 Das Mikroskop 351
5.7.6 Die Kamera 354
5.7.7 Das Fernrohr 359
5.8 Wellenfrontumformung 370
5.8.1 Adaptive Optik 371
5.8.2 Phasenkonjugation 376
5.9 Gravitationslinsen 379
Aufgaben 382
6 Geometrische Optik: Weiterführende Themen 397
6.1 Dicke Linsen und Linsensysteme 397
6.2 Strahlenverlaufsberechnung 403
6.2.1 Matrizenmethoden 405
6.3 Aberrationen 414
6.3.1 Monochromatische Aberrationen 415
6.3.2 ChromatischeAberrationen 438
6.4 Gradient-Index-Systeme 448
6.5 Abschließende Bemerkungen 453
Aufgaben 453
7 Überlagerung von Wellen 457
7.1 Die Addition von Wellen gleicher Frequenz 458
7.1.1 Die algebraische Methode 458
7.1.2 Die komplexe Methode 465
7.1.3 Zeigeraddition 466
7.1.4 Stehende Wellen 469
7.2 Die Addition von Wellen verschiedener Frequenz 477
7.2.1 Schwebungen 477
7.2.2 Gruppengeschwindigkeit 481
7.3 Anharmonische periodischeWellen 492
7.3.1 Fourierreihen 492
7.4 Nichtperiodische Wellen 502
7.4.1 Fourier-Integrale 502
7.4.2 Impulse und Wellenpakete 506
7.4.3 DieKohärenzlänge 511
7.4.4 Diskrete Fourier-Transformation 515
Aufgaben 521
8 Polarisation 529
8.1 Die Natur des polarisierten Lichts 529
8.1.1 Lineare Polarisation 530
8.1.2 Zirkulare Polarisation 532
8.1.3 Elliptische Polarisation 533
8.1.4 Natürliches Licht 536
8.1.5 Der Drehimpuls und das Photonenbild 537
8.2 Polarisatoren 539
8.2.1 Das malussche Gesetz 540
8.3 Dichroismus 542
8.3.1 Der Drahtgitterpolarisator 542
8.3.2 Dichroitische Kristalle 543
8.3.3 Das Polaroidfilter 544
8.4 Doppelbrechung 547
8.4.1 Kalkspat 549
8.4.2 Doppelbrechende Kristalle 556
8.4.3 Doppelbrechende Polarisatoren 558
8.5 Streuung und Polarisation 560
8.5.1 Polarisation durch Streuung 562
8.6 Polarisation durch Reflexion 564
8.6.1 Eine Anwendung der fresnelschen Gleichungen 568
8.7 Phasenschieber 570
8.7.1 Phasenplättchen und Rhomboeder 570
8.7.2 Kompensatoren 577
8.8 Zirkularpolarisatoren 579
8.9 Polarisation von polychromatischem Licht 580
8.9.1 Bandbreite und Kohärenzzeit einer polychromatischen Welle 580
8.9.2 Interferenzfarben 582
8.10 Optische Aktivität 583
8.10.1 Ein Modell 588
8.10.2 Optisch aktive Biomoleküle 590
8.11 Erzwungene optische Effekte - Optische Modulatoren 591
8.11.1 Photoelastizität 591
8.11.2 Der Faraday-Effekt 593
8.11.3 Der Kerr-Effekt und der Pockels-Effekt 596
8.12 Flüssigkristalle 600
8.13 Eine mathematische Beschreibung der Polarisation 605
8.13.1 Die stokesschen Parameter 605
8.13.2 Die jonesschen Vektoren 608
8.13.3 Die jonesschen und die Mueller-Matrizen 611
Aufgaben 615
9 Interferenz 627
9.1 Allgemeine Betrachtungen 628
9.2 Interferenzbedingungen 635
9.2.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz 635
9.2.2 Die Fresnel-Arago-Gesetze 638
9.3 Interferometer mit Wellenfrontaufspaltung 639
9.3.1 Das youngsche Doppelspaltexperiment 639
9.4 Interferometer mit Amplitudenaufspaltung 650
9.4.1 Dielektrische Schichten -Zweistrahlinterferenz 651
9.4.2 Spiegel-Interferometer 662
9.5 Typenund Lokalisierung von Interferenzmustern 671
9.6 Mehrstrahlinterferenz 674
9.6.1 Das Fabry-Perot-Interferometer 682
9.7 Anwendungen von Ein- und Mehrschichtfilmen 690
9.7.1 Mathematische Behandlung 691
9.7.2 Reflexmindernde Schichten 695
9.7.3 Periodische Mehrschichtsysteme 697
9.8 Anwendungen der Interferometrie 700
9.8.1 Streulichtinterferenz 700
9.8.2 DasTwyman-Green-Interferometer 704
9.8.3 Das rotierende Sagnac-Interferometer 705
9.8.4 Radarinterferometrie 707
Aufgaben 711
10 Beugung 719
10.1 Einleitende Betrachtungen 719
10.1.1 Das Fresnel-Huygens-Prinzip 720
10.1.2 Undurchsichtige Hindernisse 723
10.1.3 Fraunhofer- und Fresnelbeugung 726
10.1.4 Mehrere kohärente Oszillatoren 728
10.2 Fraunhoferbeugung 733
10.2.1 Beugung am Einzelspalt 733
10.2.2 Beugung am Doppelspalt 740
10.2.3 Beugung an vielen Spalten 745
10.2.4 Beugung an einer rechteckigen Öffnung 751
10.2.5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung 756
10.2.6 Das Auflösungsvermögen abbildender Systeme 763
10.2.7 Der Besselstrahl nullter Ordnung 767
10.2.8 Das Beugungsgitter 769
10.3 Fresnelbeugung 783
10.3.1 Die freieAusbreitung einerKugelwelle 783
10.3.2 Die Vibrationskurve 790
10.3.3 Kreisförmige Öffnungen 792
10.3.4 Kreisförmige Hindernisse 797
10.3.5 Die fresnelsche Zonenplatte 799
10.3.6 Die fresnelschen Integrale und die Beugung am rechteckigen Loch 803
10.3.7 Die Cornu-Spirale 807
10.3.8 Fresnelbeugung am Spalt 813
10.3.9 Beugung am halbunendlichen, undurchsichtigen Schirm 817
10.3.10 Beugung an einem schmalen Hindernis 819
10.3.11 Das Prinzip von Babinet 821
10.4 Die skalare Beugungstheorie von Kirchhoff 823
10.5 Beugungswellen 828
Aufgaben 831
11 Fourier-Optik 839
11.1 Einleitung 839
11.2 Fourier-Transformierte 840
11.2.1 Eindimensionale Transformierte 840
11.2.2 Zweidimensionale Transformierte 844
11.2.3 Die diracsche Delta-Funktion 850
11.3 Optische Anwendungen 858
11.3.1 Lineare Systeme 858
11.3.2 Das Faltungsintegral 863
11.3.3 Fourier-Methoden in der Beugungstheorie 872
11.3.4 Spektren und Korrelation 880
11.3.5 Übertragungsfunktionen 891
Aufgaben 900
12 Grundlagen der Kohärenztheorie 905
12.1 Einführung 905
12.2 Die Sichtbarkeit 909
12.3 Die wechselseitige Kohärenzfunktion und der Kohärenzgrad 917
12.3.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz 922
12.4 Kohärenz und Stellarinterferometrie 924
12.4.1 DasMichelson-Stellarinterferometer 924
12.4.2 Korrelationsinterferometrie 927
Aufgaben 933
13 Moderne Optik 937
13.1 Laser und Laserstrahlung 937
13.1.1 Strahlungsenergie und Materie im Gleichgewicht 938
13.1.2 Induzierte Emission 945
13.1.3 Der Laser 951
13.1.4 Das Wunder Laserlicht 970
13.2 Das Bild als räumliche Verteilung optischer Information 978
13.2.1 Raumfrequenzen 978
13.2.2 Die abbesche Bildentstehungstheorie 982
13.2.3 Räumliche Filterung 985
13.2.4 Phasenkontrast 993
13.2.5 Die Dunkelfeld- und die Schlierenmethode 999
13.3 Holographie 1002
13.3.1 Verfahren 1002
13.3.2 Entwicklungen und Anwendungen 1017
13.4 Nichtlineare Optik 1024
13.4.1 Optische Gleichrichtung 1026
13.4.2 Erzeugung von Harmonischen 1027
13.4.3 Frequenzmischung 1030
13.4.4 Selbstfokussierung von Licht 1032
Aufgaben 1032
Anhang 1: Theorie des Elektromagnetismus 1041
1 Die maxwellschen Gleichungen in differenzieller Form 1041
2 ElektromagnetischeWellen 1042
Anhang 2: Kirchhoffsche Beugungstheorie 1047
Lösungen ausgewählter Aufgaben 1049
Literatur 1099
Sachverzeichnis 1107