Dieses Lehrbuch wendet sich an Studierende der Physik, sowie anderer Natur- oder Ingenieurwissenschaften. Es gibt diesem Leserkreis eine Einführung und einen vollständigen Überblick über das Gebiet der Optik und stellt die Inhalte in den Zusammenhang mit anderen Gebieten der Physik, wie etwa der Elektrodynamik und der Quantenphysik. Es ist daher gut für eine einsemestrige Vorlesung im Rahmen der Bachelorausbildung geeignet.Großer Wert wurde auf die verständliche Darstellung der theoretischen Inhalte gelegt. Diese sind insbesondere anhand vieler praxisnaher, moderner Anwendungsbeispiele erläutert. Faszinierende optische Phänomene werden ebenso erklärt wie die mathematischen Hintergründe.Die verwendeten Graphiken und Abbildungen in Farbe, sowie ergänzende Materialien sind über einen Link auf der Website des Verlags zugänglich. (Verlagsinformation)
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort V
1 Einführung und historischer Überblick 1
2 Licht als elektromagnetische Welle 5
2.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen 5
2.1.1 Energie und Impuls von Licht 10
2.1.2 Wellenpakete 13
2.1.3 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit 16
2.2 Dispersion von Licht 19
2.2.1 Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante 19
2.2.2 Der Brechungsindex 22
2.2.3 Die Absorption von Licht 23
2.2.4 Die Dispersion von dichten Medien 26
2.2.5 Brechungsindex und Absorption von Metallen 28
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 42
2.4 Lichtwellenleiter 45
2.4.1 Lichtleitung durch Totalreflexion 45
2.4.2 Moden in einem optischen Wellenleiter** 50
2.4.3 Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** 54
2.4.4 Moden in einem dielektrischen Wellenleiter** 56
2.4.5 Lichtleitfasern 60
2.4.6 Herstellung von Glasfasern 61
2.5 Absorbierende und streuende Medien 64
2.5.1 Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien 64
2.5.2 Die Farbe von Gegenständen 65
2.5.3 Streuung von elektromagnetischen Wellen 67
3 Die Geometrische Optik 69
3.1 Das Fermatsche Prinzip 70
3.1.1 Das Reflexionsgesetz 72
3.1.2 Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz 74
3.2 Strahlenablenkung durch ein Prisma 77
3.2.1 Der Regenbogen 79
3.3 Die optische Abbildung 86
3.3.1 Reelle und virtuelle Abbildungen 86
3.3.2 Abbildung an einem Kugelspiegel 87
3.3.3 Abbildung durch brechende Kugelflächen 91
3.3.4 Abbildungsgleichung für dünne Linsen 93
3.3.5 Dicke Linsen und Linsensysteme 97
3.3.6 Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen mit dem Matrizen-Verfahren 98
3.3.7 Anwendungen der Matrizenmethode 104
3.3.8 Linsenfehler 107
3.3.9 Begrenzungen in optischen Systemen 113
3.3.10 Design und Herstellung von Objektiven 116
3.4 Instrumente der geometrischen Optik 117
3.4.1 Der Projektionsapparat 117
3.4.2 Die photographische Kamera 119
3.4.3 Das Auge 123
3.4.4 Vergrößernde optische Instrumente 126
4 Welleneigenschaften von Licht 137
4.1 Qualitative Behandlung der Beugung 138
4.1.1 Das Huygenssche Prinzip 138
4.1.2 Die Fresnelsche Beugung 140
4.2 Mathematische Behandlung der Beugung 144
4.2.1 Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie** 144
4.2.2 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung 146
4.2.3 Fraunhofersche Beugung 148
4.2.4 Das Babinetsche Prinzip 149
4.3 Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung 149
4.3.1 Beugung an einem langen Spalt 149
4.3.2 Beugung an einer Rechteckblende 154
4.3.3 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 155
4.3.4 Beugung am Doppelspalt 156
4.3.5 Beugung am Gitter 161
4.3.6 Gitterspektrometer 166
4.3.7 Beugung an mehrdimensionalen Gittern 169
4.4 Interferenz 173
4.4.1 Die Kohärenz von Lichtquellen 174
4.4.2 Spezielle Interferometeranordnungen 177
4.4.3 Interferenzen dünner Schichten 182
4.4.4 Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers 192
4.5 Anwendungen von Beugung und Interferenz 199
4.5.1 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte 199
4.5.2 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik 205
4.5.3 Holographie 210
4.5.4 Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel* 214
4.5.5 Gaußsche Bündel und abbildende Elemente** 221
4.6 Die Polarisation von Licht 225
4.6.1 Polarisationszustände von Licht 225
4.6.2 Polarisatoren 228
4.6.3 Doppelbrechung 233
4.6.4 Anwendungen der Doppelbrechung 242
4.6.5 Induzierte Doppelbrechung 245
4.6.6 Optische Aktivität und Faraday-Effekt 251
4.7 Nichtlineare Optik 256
4.7.1 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpfte Phänomene* 257
4.7.2 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpfte Phänomene* 260
5 Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen 265
5.1 Der Photoeffekt 265
5.1.1 Eigenschaften von Photonen 271
5.1.2 Licht ist Welle und Teilchenstrom 274
5.1.3 Doppelspalt als Instrument zur Unterscheidung von Welle und Teilchen 275
5.1.4 Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht* 278
5.2 Strahlungsgesetze und Lichtquellen 289
5.2.1 Strahlungsphysikalische Größen 289
5.2.2 Lichttechnische Größen* 294
5.2.3 Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz 296
5.2.4 Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers 298
5.2.5 Strahlungsgesetze 300
5.2.6 Die Plancksche Strahlungsformel 302
5.2.7 Lichtquellen für Beleuchtungszwecke* 306
5.2.8 Der Laser 309
A Anhang: Fouriertransformation 317
A.l Fourierreihen 317
A.2 Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer Funktionen 321
A.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 324
A.4 Rechenregeln für Fouriertransformationen 326
A.5 Eigenschaften der Deltafunktion 327
Vertiefende Literatur 329
Sachverzeichnis 331