Kompakt und verständlich führt das Lehrbuch die Themengebiete der Erzeugung und Messung von Licht sowie der Strahlen- und Wellenoptik zusammen. Es beginnt mit einer Einführung in die Grundlagen der Lichterzeugung, gefolgt von einem Abriss über Fotometrie und Farbmetrik. Von der Glühlampe über Nieder- und Hochdruckentladungslampen bis hin zu den LED und OLED werden Lichtquellen aus physikalischer Sicht und in ihrer technischen Realisierung behandelt. Die Grundlagen der geometrischen Optik in Matrixformulierung werden ebenso besprochen wie die Gesetze der Reflexion und Brechung von Strahlung an Grenzschichten sowie die wellenoptischen Grundlagen von Interferenz und Beugung mitsamt ihren Auswirkung auf Möglichkeiten und Grenzen abbildender und nichtabbildender optischer Komponenten. Eine gut nachvollziehbare Darstellung der stimulierten Emission und der axialen und transversalen Moden bildet die Grundlage für die Besprechung der Festkörperlaser, der Gaslaser und der Halbleiterlaser einschließlich deren technischem Aufbau. Das Buch ist sehr elementar gehalten, einer anschaulichen, ausführlichen und mathematisch vollständigen und nachvollziehbaren Ableitung grundlegender Formeln wurde der Vorzug vor thematischer Vollständigkeit bis in Spezialgebiete hinein gegeben.
Viele Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen sowie Fragen zum Verständnis unterstreichen den Lehrbuchcharakter des Werkes. Ein Verzeichnis mit Fachbegriffen (deutsch-englisch/englisch-deutsch) rundet das Buch ab. (Verlagsinformation) / Detailliertes Inhaltsverzeichnis siehe unten angeführten Link.
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort Vu
1 Grundlagen der Lichtentstehung 1
1.1 Einführung in die Quantenoptik 1
1.1.1 Die Beobachtung von Hallwachs und die Folgen 1
1.1.2 Das Bohrsche Atommodell 2
1.1.3 Das quantenmechanische Atommodell 5
1.1.4 Schwingungsübergänge 6
1.1.5 Rotationsübergänge 13
1.2 Eigenschaften von Energieniveaus und Übergängen 16
1.2.1 Die natürliche Linienbreite 16
1.2.2 Die Boltzmann-Verteilung 23
1.2.3 Die Dopplerverbreiterung 28
1.2.4 Stoßverbreiterung 32
1.2.5 Kohärenzlänge und ihre Auswirkung auf Interferenzen 34
1.3 Lichterzeugung in Laserlichtquellen 37
1.3.1 Absorption im Zwei-Niveau-System 37
1.3.2 Spontane und stimulierte Emission 40
1.3.3 Besetzungsinversion und Lichtverstärkung 44
1.3.4 Das Vier-Niveau-System 47
1.4 Lichterzeugung mittels Plasmen 49
1.4.1 Das Plasma und seine Erzeugung 50
1.4.2 Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsplasmen 53
1.4.3 Spektrale Eigenschaften von Nieder- und Hochdruckentladungen 58
1.5 Lichterzeugung durch Temperaturstrahler 60
1.5.1 Licht als elektromagnetische Welle 61
1.5.2 Plancksches Strahlungsgesetz 63
1.5.3 Der nicht-schwarze Körper 72
1.6 Lichtentstehung in Halbleitern 76
1.6.1 Donatoren und Akzeptoren 76
1.6.2 Die lichtemittierende Diode 81
1.6.3 Laserdioden 83
Fragen 84
Aufgaben 85
2 Messung und Bewertung von Strahlung 87
2.1 Strahlungsmessung 87
2.1.1 Das Auge 87
2.1.2 Die V(A.)-Kurven des Auges 89
2.1.3 Strahlungsphysikalische Grundgrößen 91
2.1.4 Zusammenhänge zwischen den strahlungsphysikalischen Größen 94
2.1.5 Lichttechnische Grundgrößen 96
2.2 Einführung in die Farbmetrik 98
2.2.1 Farbe und Farbmischung 98
2.2.2 Die Graßmannschen Gesetze 99
2.2.3 CIE Farbmaßsystem 1931 101
2.2.4 CIE-UCS-Farbtafel 1976 107
2.2.5 Farbwiedergabeindex 108
Fragen 112
Aufgaben 112
3 Konventionelle Lichtquellen 115
3.1 Glühlampen 115
3.1.1 Allgebrauchsglühlampen 115
3.1.2 Halogenlampen 133
3.1.3 Glühlampen für Sonderanwendungen 140
3.2 Niederdruck-Entladungslampen 142
3.2.1 Leuchtstofflampen 142
3.2.2 Kaltkathodenlampen 158
3.2.3 Natriumdampf-Niederdrucklampen 160
3.2.4 Spektrallampen 163
3.2.5 Elektrodenlose Lampen 163
3.3 Quecksilberhochdrucklampen 165
3.3.1 Die Bogenentladung 165
3.3.2 Elektroden 169
3.3.3 Aufbau der Lampe, Betrieb und spektrale Eigenschaften 172
3.4 Natriumdampf-Hochdrucklampen 175
3.4.1 Spektrale Eigenschaften 175
3.4.2 Technische Realisierung 177
3.5 Halogenmetalldampflampen 179
3.5.1 Das Funktionsprinzip 179
3.5.2 Ausführungsformen 180
3.5.3 Betriebsparameter 183
3.6 Weitere Hochdruckentladungslampen 184
3.6.1 Xenonlicht für den Pkw 184
3.6.2 Xenon-Kurzbogenlampen 184
3.6.3 Langbogenlampen 186
3.7 Leuchtdioden (LEDs) 190
3.7.1 Materialien und Wellenlängen 190
3.7.2 Aufbau und Lichtführung 192
3.7.3 Praktische Ausführung 196
3.8 Organische LEDs 199
Fragen 202
4 Licht und seine Manipulation 205
4.1 Strahlenoptik 205
4.1.1 Lichtstrahlen 205
4.1.2 Fermatsches Prinzip und Snelliussches Brechungsgesetz 207
4.1.3 Das Reflexionsgesetz und der sphärische Hohlspiegel 210
4.1.4 Brechung an einer Kugeloberfläche 220
4.1.5 Helmholtz-Lagrange-Invariante 223
4.1.6 Brennweiten 225
4.1.7 Die dünne Linse 230
Aufgaben 235
4.2 Matrixformalismus der Strahlenoptik 241
4.2.1 Einführung der Transformationsmatrix 242
4.2.2 Die Reflexionsmatrix 243
4.2.3 Die Brechungsmatrix 244
4.2.4 Materiahen mit Brechungsindexgradienten 246
4.2.5 Beschreibung einer Kombination mehrerer Oberflächen 250
4.2.6 Dicke und dünne Linsen 252
4.2.7 Abbildung durch ein optisches System 254
4.2.8 Hauptebenen 256
Aufgaben 264
4.3 Dispersion 270
4.3.1 Ursache der Dispersion 271
4.3.2 Dispersionsformeln 275
4.3.3 Achromate 277
Aufgabe 280
4.4 Linsenfehler 280
4.4.1 Sphärische Aberration 281
4.4.2 Astigmatismus 284
4.4.3 Weitere Linsenfehler 286
4.4.4 Der Coddington-Formfaktor 288
4.5 Strahlbegrenzungen 288
4.5.1 Blenden 288
4.5.2 Blendenzahl 291
4.6 Weilenoptik 292
4.6.1 Huygens-Fresnelsches Prinzip 293
4.6.2 Beugung 294
4.6.3 Beugung am Gitter 300
4.6.4 Interferenz 307
4.6.5 Interferenz an dünnen Schichten 311
4.6.6 Bragg-Reflexion 313
4.6.7 Polarisation 315
4.6.8 Doppelbrechung 317
4.6.9 Optische Aktivität 321
4.6.10 Dichroismus 324
Aufgaben 325
4.7 Lichtreflexion an Grenzschichten 327
4.7.1 Die Fresnelschen Formeln 327
4.7.2 Übergang vom optisch dünneren ins dichtere Medium 336
4.7.3 Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Medium 339
4.7.4 Reflexion an Metallen 344
Aufgaben 348
5 Optische Komponenten und Geräte 351
5.1 Einzelkomponenten 351
5.1.1 Werkstoffe für optische Komponenten 351
5.1.2 Spiegel und Prismen 360
5.1.3 Linsen 363
5.1.4 Filter 366
5.1.5 Dielektrische Schichten 375
5.1.6 Polarisatoren 378
5.1.7 Lichtwellenleiter 381
5.2 Optische Geräte 385
5.2.1 Lupe 385
5.2.2 Mikroskop 386
5.2.3 Fernrohre 388
5.2.4 Kamera, Objektive 392
5.2.5 Projektionsgeräte 397
5.2.6 Gittermonochromatoren 399
Fragen 400
Aufgaben 400
6 Laserlichtquellen 403
6.1 Allgemeine Grundlagen 403
6.1.1 Axiale Moden 403
6.1.2 Der Einfluss von Längenänderungen des Resonators 406
6.1.3 Güteschaltung 407
6.1.4 Modenkopplung 411
6.2 Optische Resonatoren und Gauß-Bündel 417
6.2.1 Transversale Moden 417
6.2.2 Entstehung eines Gauß-Bündels im optischen Resonator 420
6.2.3 Veränderung der Bündelparameter durch dünne Linsen und Spiegel 423
6.2.4 Spitzenintensität und Leistung 427
6.3 Festkörperlaser 429
6.3.1 Dotierungen und Wirtsmaterialien 429
6.3.2 Pumpanordnungen 431
6.3.3 Einige Festkörper-Lasermaterialien im Detail 437
6.4 Gaslaser 442
6.4.1 Klassifizierung 442
6.4.2 Grundlegendes zumCO2-Laser 444
6.4.3 Bauformen des CO2-Lasers 447
6.4.4 Ionenlaser 453
6.4.5 Helium-Neon-Laser 456
6.4.6 Excimer-Laser 458
6.5 Weitere Lasertypen 460
6.5.1 Farbstofflaser 460
6.5.2 Halbleiterlaser 462
Aufgaben 469
7 Einige Anwendungsbeispiele für Laser 475
7.1 Nutzung der starken räumlichen Bündelung 475
7.1.1 Laserschneiden 475
7.1.2 Laserschweißen 480
7.2 Ultrakurze Laserimpulse 483
7.2.1 MikroJustierung 483
7.2.2 Laser in-situ Keratomileusis (LASIK) 485
7.2.3 Ultrakurzzeitspektroskopie 487
7.3 Nutzung der Kohärenzeigenschaften 489
7.3.1 Holographie 489
7.3.2 Laser-Doppler-Anemometrie 492
7.4 Bei allen Anwendungen unabdingbar: Lasersicherheit 495
7.4.1 Gefahrensituation 495
7.4.2 Die Laserklassen 498
7.4.3 Schutzmaßnahmen 499
Fragen 502
A Anhang 503
A.1 Lösungen zu den Aufgaben 503
A.1.1 Zum Kapitel 1 503
A.1.2 Zum Kapitel 2 504
A. 1.3 Zum Kapitel 4.1 508
A. 1.4 Zum Kapitel 4.2 517
A.1.5 Zum Kapitel 4.3 526
A.1.6 Zum Kapitel 4.6 527
A.1.7 Zum Kapitel 4.7 529
A.1.8 Zum Kapitel 5 532
A.1.9 Zum Kapitel 6 533
Lexikon 541
deutsch-englisch 541
englisch-deutsch 555
Literatur 569
Index 577