Optik. Walter de Gruyter Berlin New York Herausgeber Heinz Niedrig

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1 Optik Herausgeber Heinz Niedrig Autoren Hans-Joachim Eichler, Axel Fleischer, Jürgen Kross Michael Krystek, Heinwig Lang, Heinz Niedrig Helmut Rauch, Günter Schmahl, Heinz Schoenebeck Erwin Sedlmayr, Horst Weber, Kurt Weber 9. Auflage wde G Walter de Gruyter Berlin New York 1993

2 Inhalt Energieeinheiten und Äquivalentwerte Strahlungsphysikalische Größen und Einheiten Lichttechnische Größen und Einheiten Tabelle der Fundamentalkonstanten XVII XVII XVIII XIX E Einführung 1 Horst Weber E.l Die Maxwellschen Gleichungen 2 E.2 Monochromatische Schwingungen und die komplexe Schreibweise 6 E.2.1 Zeitliche Fourier-Transformation und Spektrum 6 E.2.2 Lineare Medien 6 E.2.3 Das Lorentz-Modell der Wechselwirkung, ein Beispiel für ein lineares dielektrisches Medium 8 E.3 Energetische Betrachtungen 10 E.3.1 Energiedichte 10 E.3.2 Poynting-Vektor, Intensität und Energieerhaltung 10 E.3.3 Verlustfreie Medien 11 E.4 Die Wellengleichungen und einfache Lösungen 12 E.4.1 Homogenes, isotropes, nichtleitendes, ladungsfreies, lineares Medium (<r = 0,Ö = 0) 13 E.4.2 Die ebene Welle im verlustbehafteten Medium 16 E.4.3 Die Polarisation der Lichtwelle 18 E.4.4 Anisotrope, lineare, nicht absorbierende dielektrische Medien 19 E.4.5 Nichtlineare dielektrische Medien 20 E.4.6 Helmholtz-Gleichung und Kugelwelle 22 E.5 Grenzbedingungen 22 E.6 Beugungsprobleme 24 E.6.1 Die reduzierte Wellengleichung 24 E.6.2 Das Fresnelsche Beugungsintegral 26 E.6.3 Der Gaußsche Strahl 27 E.6.4 Das Fraunhofersche Beugungsintegral 29 E.7 Geometrische Optik 30 E.7.1 Die Eikonalgleichung 30 E.7.2 Das Fermatsche Prinzip 32 E.7.3 Die Strahlengleichung 33

3 1 Optische Abbildung 35 Jürgen Kross 1.1 Vorbemerkungen und Einführung Vorbemerkungen Einführung Geradlinige Strahlenausbreitung Reflexion, ebene Spiegel Brechung, Totalreflexion, Abbildung an ebenen Flächen Brechung Totalreflexion Abbildung durch Planflächen Planplatten Prismen Gauß-Optik Grundgrößen und Grundpunkte Abbildung durch einzelne Flächen Abbildung durch Flächenfolgen, Gauß-Matrizen Linsen, zusammengesetzte Systeme Strahlenbegrenzung, Blenden Abbildungsfehler Auswirkungen der Dispersion optischer Medien Abbildung bei endlichen Aperturen und Feldern Abbildungsfehler einer brechenden Fläche Abbildungsfehler zusammengesetzter Systeme Das Auge Optische Instrumente Strahlungs- und Informations-Übertragung Strahlungsübertragung Informationsübertragung Ausgewählte optische Instrumente Lupe Mikroskop Fernrohr Spektralapparate Photo-Objektiv Dispersion und Absorption des Lichtes 189 Hans-Joachim Eichler 2.1 Messung der Lichtgeschwindigkeit Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit Die Dispersion des Lichtes: Normale Dispersion Achromatische und geradsichtige Prismen; chromatische Bildfehler Infrarote (ultrarote) und ultraviolette Strahlung Absorption der Strahlung Die Dispersion des Lichtes: Anomale Dispersion 249

4 2.8 Dispersion und Absorption schwach absorbierender Substanzen; Anwendungen Dispersion und Absorption der Metalle Spektralanalyse, Emissions- und Absorptionsspektren, Dopplereffekt, Spektroskopie Interferenz und Beugung 301 Hans-Joachim Eichler 3.1 Allgemeines über Interferenz von Lichtwellen; Kohärenz und Inkohärenz Fresnelscher Spiegelversuch und Varianten Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten, Farben dünner Blättchen; Kurven gleicher Dicke und gleicher Neigung Zweistrahlinterferometer Vielstrahlinterferenz; Interferenzspektroskopie Stehende Lichtwellen; Farbenphotographie nach Lippmann Lichtschwebungen Grunderscheinungen der Beugung; Beugung am Spalt, an rechteckiger und kreisförmiger Öffnung Das Auflösungsvermögen optischer Instrumente (Fernrohr, Auge, Mikroskop, Prisma) Beugung durch mehrere kongruente, regelmäßig angeordnete Öffnungen; Youngscher Interferenzversuch; Beugungsgitter; Stufengitter; Ultraschallwellengitter Beugung an zwei- und dreidimensionalen Gittern; Röntgenstrahlbeugung Bildentstehung im Mikroskop nach E. Abbe; Phasenkontrastverfahren nach Zernike; Schlierenverfahren Beugung an Teilchen, Lichtstreuung Holographie Wellenleiter und Glasfasern Polarisation und Doppelbrechung des Lichtes 455 Kurt Weber 4.1 Polarisation des Lichtes durch Reflexion und gewöhnliche Brechung Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation; Fresnelsche Formeln Totalreflexion, Herstellung von elliptisch und zirkular polarisiertem Licht Polarisation des reflektierten Lichtes bei absorbierenden Medien; Metallreflexion Doppelbrechung und Polarisation an optisch einachsigen Kristallen Optisch zweiachsige Kristalle Polarisatoren: Nicoisches Prisma, Glan-Thompson-Prisma, Turmalinplatte, Polarisationsfilter, Wollastonprisma, Polarisationsphotometer Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichtes (optische Aktivität) Optisches Verhalten und Symmetrie der Kristalle Interferenzen an Kristallplatten im parallelen, polarisierten Strahlengang Interferenzen im konvergenten Licht Kristalline Flüssigkeiten Induzierte Doppelbrechung in isotropen Stoffen Zeeman-Effekt und Stark-Effekt 598

5 5 Optische Strahlung und ihre Messung 609 Michael Krystek 5.1 Einführung Grundgrößen und Definitionen Die Wärmestrahlung Das Kirchhoffsche Gesetz Der schwarze Strahler, Hohlraumstrahlung Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz Das Wiensche Verschiebungsgesetz Die Strahlungsgesetze Strahlung nicht-schwarzer Strahler Strahlungscharakteristische Temperaturen, Pyrometrie Strahlungsbewertung durch das Auge, Photometrie Realisierung der Lichteinheit, Normallichtquellen Photometrische Meßmethoden und Meßgeräte Ausblicke auf die Lichttechnik Farbmetrik 665 Heinwig Lang 6.1 Farbmetrik und Physik Spektrale Eigenschaften von Lichtquellen Optische Filter Spektrale Eigenschaften von Körperoberflächen Lichtelektrische Empfänger in Photometrie und Farbmetrik Additive Farbmischung und Graßmannsche Gesetze Farbgleichheit und Farbvalenz Die Spektralwertkurven Das Normvalenzsystem Farbmessung Physiologie des Farbensehens Empfindungsgemäße Farbsysteme und Farbabstände Körperfarben und Farbordnungen Verfahren der Farbreproduktion Quantenoptik 755 Horst Weber 7.1 Der lichtelektrische Effekt Einsteins korpuskulare Theorie des Lichts und deren Prüfung Anwendungen des lichtelektrischen Effekts Die korpuskularen Eigenschaften des Photons Die Bedeutung der Quantenelektrodynamik Die quantenhafte Absorption und Emission von Licht Eigenschaften der Atome Absorption und Emission von Licht 802

6 7.7 Streuung von Photonen Allgemeine Betrachtungen Thomson-Streuung Compton-Streuung Raman- und Brillouin-Streuung Statistische Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes Erzeugung von kohärentem Licht - LASER Das Rückkopplungsprinzip und Lichtverstärkung Herstellung eines Inversionszustandes Bilanzgleichungen, Selbsterregung und Ausgangsleistung eines Laser-Oszillators Beispiele für Laseroszillatoren Optische Resonatoren Die Erzeugung kurzer, intensiver Lichtimpulse mit dem Laser Nichtlineare Optik 911 Horst Weber 8.1 Die allgemeine Beziehung zwischen Polarisation des Mediums und der elektrischen Feldstärke Ausbreitung von Licht in einem linearen Medium Die Kennlinie des Elektrons Beispiele für einige nichtlineare Effekte Die Suszeptibilität für Effekte 2. und 3. Ordnung Quantitative Beschreibung der Oberwellenerzeugung Die Wellengleichung der nichtlinearen Optik und Lösungen Realisierung der Phasenanpassung Parametrische Systeme Weitere quadratische Effekte Der Pockels-Effekt (linearer, elektrooptischer Effekt) Optische Gleichrichtung Kubische Effekte Elektrooptische Effekte Entartete Vierwellen-Mischung Nichtlineare Absorption Nichtlineare Anregungsprozesse Zweiphotonen-Anregung Multiphotonen-Ionisierung Erzeugung von ultraviolettem Licht durch Frequenzvervielfachung Optische Instabilitäten Röntgenoptik 983 Günter Schmahl 9.1 Röntgenquellen Synchrotronstrahlungsquellen 985

7 9.1.2 Plasmaquellen Elemente der Röntgenoptik Wechselwirkung weicher Röntgenstrahlen mit Materie Spiegel für Reflexion in streifendem Einfall Spiegel für Reflexion in senkrechtem Einfall - Spiegel aus Mehrfachschichten Zonenplatten Röntgendetektoren Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskope Rasterröntgenmikroskope Röntgenlithographie Materiewellen, Elektronenoptik 1009 Heinz Niedrig 10.1 Materiewellen Elektronenbeugung und -interferometrie Beugung anderer Materieteilchen Elemente der Elektronenoptik Elektronenoptische Brechzahl Elektronenlinsen, Brennweite Bildfehler von Elektronenlinsen Elektronenmikroskopie Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop Abbildung mit atomarer Auflösung Elektronen-Holographie Raster-Elektronenmikroskop Elektronenenergieverlust-Spektroskopie und Mikroanalyse Elektronenstrahl-Lithographie Raster-Tunnel-Mikroskopie Die Unschärfe-Relation bei Materiewellen Neutronenoptik 1089 Helmut Rauch 11.1 Einleitung und Grundgleichungen Neutronenquellen und Detektoren Brechung und Reflexion Beugung an makroskopischen Objekten Beugung an perfekten Kristallen (Dynamische Beugung) Interferometrie Optik mit ultrakalten Neutronen 1137

8 12 Lichtausbreitung und Relativitätstheorie 1145 Heinz Schoenebeck Überarbeitet von Erwin Sedlmayr und Axel Fleischer 12.1 Das Relativitätsprinzip der Mechanik Versagen des Relativitätsprinzips der Mechanik in der Elektrodynamik Versuche zum Mitführungskoeffizienten Der Versuch von Michelson Die Einsteinsche Lösung des Problems Der Minkowski-Raum Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten; der Mitführungskoeffizient Dopplersches Prinzip und Aberration Rotationsbewegung Die Invarianz der Gleichungen der Elektrodynamik und der Mechanik gegenüber der Lorentz-Transformation Die Viererschreibweise der Grundgleichungen der Elektrodynamik und Mechanik Die Strahlung eines beschleunigten geladenen Teilchens Allgemeine Relativitätstheorie Experimentelle Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen 1238 Register 1249

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