Übungsfragen zur Vorlesung Grundlagen der technischen Optik

Transkript

1 Übungsfragen zur Vorlesung Grundlagen der technischen Optik 1) Welche Näherungen/Vereinfachungen werden beim Übergang zu folgenden optischen Modellen vorgenommen: von der Quantenoptik zur Maxwellschen Optik von der Wellenoptik zur geometrischen Optik von der geometrische Optik zur paraxialen Optik 2) Wie entsteht ein virtuelles Bild und wie ein reelles Bild? Geben Sie jeweils ein optisches Instrument als Beispiel und erklären Sie, wie sich die Eigenschaften des Bildes auswirken. 3) In welchem Bereich muss die Gegenstandsweite g liegen, wenn Sie ein Mikroskop aufbauen wollen? Für welchen Strahlenverlauf wird die Gesamtlänge (g+b) hingegen minimal und welcher Wert wird hierbei erreicht? 4) Welche Folgen hat die Dispersion in optischen Bauelementen und Systemen? Welche Idee liegt einem Achromaten zugrunde und was wird hierbei benötigt? 5) Nennen Sie zwei Aberrationen der geometrischen Abbildung und erläutern Sie, wie sich diese auf die Bildqualität auswirken. 6) Zeigen Sie durch welchen Trick die Baulänge eines Teleobjektivs kürzer als die Brennweite ist. 7) Welche Auswirkung auf den Strahlenverlauf hat eine Aperturblende in der Brennebene einer Linse oder eines Objektivs? 8) Was bedeutet der Begriff afokales optisches System? Wie wird die Vergrößerung eines solchen Instruments bestimmt? Welche Funktion haben Okulare in Teleskopen und Mikroskopen? 9) Welchen Effekt müssen Sie beachten, wenn Sie einen blauen und einen grünen Laser visuell vergleichen? 10) Sie sollen eine Probe in einem Messaufbau mit einer Punklichtquelle beleuchten. Hierbei sind eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung und eine bestimmte minimale Beleuchtungsstärke gefordert. Wie gehen Sie vor? 11) Ein Farbstoff absorbiert Licht im roten Spektralbereich. Welche Farbe sieht man, wenn dieser mit weißem Licht beleuchtet wird. Wie ändert sich der Farbeindruck bei der Beleuchtung mit gelbem Licht? 12) Erklären Sie die Bedeutung der Farbtemperatur und geben Sie an, für welche Lichtquellen diese Beschreibung verwendet werden kann. 13) Durch welche Parameter wird eine EM Welle charakterisiert? Wodurch unterscheidet sich die Detektion im optischen Spektralbereich hauptsächlich im Vergleich zu z.b. Radio- oder Mikrowellen?

2 14) Beschreiben Sie die Eigenschaften der Fresnel-Gleichungen für verschiedene Einfallswinkel auf eine höher bzw. niedriger brechende Grenzfläche. Welches sind die wichtigen charakteristischen Punkte/Winkel? Nennen Sie Anwendungsbeispiele, für die die Fresnel-Gleichungen wichtig sind. 15) Wodurch unterscheidet sich die Interferenz zweier Wellen von der Beleuchtung einer Fläche mit zwei Glühbirnen? Welche grundlegenden Voraussetzungen müssen für die Beobachtung von Interferenz gegeben sein? 16) Beschreiben Sie qualitativ den Intensitätsverlauf, der auf einem Schirm zu beobachten ist, auf dem zwei Wellen unter folgenden Winkeln miteinander interferieren: 0, 5, 40. Wie wirkt sich für diese drei Fälle eine Änderung des Gangunterschieds zwischen beiden Wellen aus? 17) Erläutern Sie, warum dir Energieerhaltung nicht verletzt wird, wenn in einem Interferometer destruktive Interferenz beobachtet wird. 18) Wie gehen Sie vor, wenn Sie die Dicke eines dünnen Glasplättchens (n=1.53) mit Hilfe eines Michelson Interferometers messen sollen. Welche Punkte sind hierbei besonders zu beachten? 19) Erklären Sie, wie man eine dünne planparallele Glasplatte als Interferometer verwenden kann. Was geschieht, wenn diese zur einfallenden Welle verkippt wird? 20) Wie müssen Sie vorgehen, wenn Sie ein Fabry-Pérot Interferometer für eine vorgegebene Halbwertsbreite (FWHM) optimieren sollen, gleichzeitig aber ein bestimmter freier Spektralbereich (FSR) gefordert ist? 21) Eine optische Dünnschicht auf einem Substrat kann den Reflexionsgrad entweder erhöhen oder erniedrigen. Beschreiben Sie, wie dieses Verhalten grundsätzlich erklärt werden kann und worin sich die beiden gegensätzlichen Funktionen im Aufbau unterscheiden. 22) Erklären Sie anhand des Huygenschen Prinzips, wieso die Ausbreitung von Wellen hinter einer Spaltblende nicht dem geometrischen Schattenwurf entspricht und inwieweit sich die Breite des Spaltes (relativ zur Wellenlänge) darauf auswirkt. 23) Durch welche Annahmen hat Fresnel das Huygensche Prinzip erweitert und welcher Gedanke liegt der Zonenkonstruktion zugrunde? 24) Erläutern Sie die Funktionsweise einer Zonenplatte und welche Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede sich zu einer refraktiven Linse ergeben. 25) Wie lässt sich mit einer anschaulichen Beschreibung das Beugungsbild eines Gitters ermitteln (ausgehend vom Einzelspalt)? 26) Ein Spalt wird mit einem Laser (eben Welle) bestrahlt. Welch Veränderungen sind bei zunehmendem Beobachtungsabstand im Beugungsbild zu sehen (nur prinzipielle Beschreibung). Wann handelt es sich im allgemeinen Fall um die Beobachtung von Fresnel-Beugung, wann um Fraunhofer-Beugung? 27) Welche Effekte führen bei geometrisch optischer Betrachtung zur Begrenzung des Auflösungsvermögens von Instrumenten, welcher Effekt bewirkt dies bei

3 wellenoptischer Betrachtung? Wodurch kann das Auflösungsvermögen verbessert werden? 28) Welches Kriterium für das Auflösungsvermögen einer beugungsbegrenzten Abbildung ist Ihnen bekannt und wie ist dieses allgemein bzw. für bestimmte Instrumente definiert? 29) Welche Intensität können Sie hinter einem Polarisator/Analysator-Aufbau messen, wenn unpolarisiertes Licht verwendet wird und zwei Linearpolfilter in den Zwischenraum eingebaut werden, die 20 und 70 zur Durchlassrichtung des ersten Polarisators verdreht sind (qualitative Aussage mit Begründung)? 30) Erläutern Sie welche unterschiedlichen Polarisationszustände es gibt wenn beide Teilkomponenten E x und E y gleich stark sind? 31) Auf welche Weise kann messtechnisch zirkular polarisiertes Licht von unpolarisiertem Licht unterschieden werden? 32) Wozu werden λ/4 und λ/2 Platten in der Optik verwendet, wie ist ihre Funktionsweise grundsätzlich zu erklären und was ist der größte Nachteil dieser Bauelemente? 33) Welche Auswirkung hat die endliche Dauer von Emissionsvorgängen (und damit Länge der Wellenzüge) auf die spektralen Eigenschaften einer Welle? Erklären Sie dies anhand zweier Beispiele (z.b. fs-laserpuls und ns-laserpuls).

4 Konstruieren Sie das Bild von Y L 1 f f Y g

5 Konstruieren Sie das Bild von Y g Y f

6 Konstruieren Sie das Bild von Y L 1 f f Y g

7 Führen Sie den einfallenden Strahl weiter durch das System (keine Abbildung) L 1 L 2 f 1 f 2 f 1 f 2