Optik. von Eugene Hecht 5., verbesserte Auflage. Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer. Oldenbourg Verlag München

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1 Optik von Eugene Hecht 5., verbesserte Auflage Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer Oldenbourg Verlag München

2 Inhalt Vorwort Verwendete Symbole V XVI 1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte Vorbemerkung Die Ursprünge Vom siebzehnten Jahrhundert an Das neunzehnte Jahrhundert Das zwanzigste Jahrhundert 11 2 Die Wellenbewegung Eindimensionale Wellen Die Differenzialgleichung einer Welle Harmonische Wellen Phase und Phasengeschwindigkeit Das Superpositionsprinzip Die komplexe Darstellung Zeiger und die Addition von Wellen Ebene Wellen Die dreidimensionale Wellengleichung Kugelwellen Zylinderwellen.,; 53 Aufgaben 55 3 Theorie des Elektromagnetismus, Photonen und Licht Die Grundgleichungen der Theorie des Elektromagnetismus Das faradaysche Induktionsgesetz Der gaußsche Satz für das elektrische Feld Der gaußsche Satz für das magnetische Feld Das amperesche Verkettungsgesetz Die maxwellschen Gleichungen Elektromagnetische Wellen Transversalwellen Energie und Impuls 85

3 X Inhalt Der Poynting-Vektor Die Bestrahlungsstärke Photonen Strahlungsdruck und Impuls Strahlung Linear beschleunigte Ladungen Synchrotronstrahlung Elektrische Dipolstrahlung Die Emission von Licht durch Atome Licht in Materie Dispersion Das elektromagnetische Spektrum Radiowellen Mikrowellen Infrarotstrahlung Sichtbares Licht Ultraviolettes Licht Röntgenstrahlung Gammastrahlung Quantenfeldtheorie 141 Aufgaben Die Ausbreitung des Lichts Einführung ' Rayleigh-Streuung Streuung und Interferenz Die Fortpflanzung des Lichts in dichten Medien Transmission und Brechungsindex Reflexion Das Reflexionsgesetz Brechung Das Brechungsgesetz Das huygenssche Prinzip _ Lichtstrahlen und Normalkongruenz Das fermatsche Prinzip Der elektromagnetische Ansatz Wellen an einer Grenzfläche Die fresnelschen Gleichungen Interpretation der fresnelschen Gleichungen Innere Totalreflexion ^.1 Die abklingende Welle Optische Eigenschaften von Metallen Alltägliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie Die stokessche Behandlung der Reflexion und Brechung 231

4 Inhalt XI 4.11 Photonen, Wellen und Wahrscheinlichkeit Quantenelektrodynamik 236 Aufgaben Geometrische Optik Einführung Linsen Asphärische Flächen Brechung an Kugelflächen Dünne Linsen Blenden Apertur-und Feldblenden Eintritts- und Austrittspupillen Das Öffnungsverhältnis und die Blendenzahl Spiegel Ebene Spiegel Asphärische Spiegel Sphärische Spiegel Prismen Dispersionsprismen Reflexionsprismen Faseroptik Technologie der Glasfaserübertragung Optische Systeme Das Auge Die Brille Die Lupe Okulare Das Mikroskop Die Kamera Das Fernrohr Wellenfrontumformung Adaptive Optik Phasenkonjugation Gravitationslinsen 379 Aufgaben Geometrische Optik: Weiterführende Themen Dicke Linsen und Linsensysteme Strahlenverlaufsberechnung Matrizenmethoden Aberrationen Monochromatische Aberrationen Chromatische Aberrationen 438

5 XII Inhalt 6.4 Gradient-Index-Systeme Abschließende Bemerkungen 453 Aufgaben Überlagerung von Wellen Die Addition von Wellen gleicher Frequenz Die algebraische Methode Die komplexe Methode Zeigeraddition Stehende Wellen Die Addition von Wellen verschiedener Frequenz Schwebungen Gruppengeschwindigkeit Anharmonische periodische Wellen Fourierreihen Nichtperiodische Wellen Fourier-Integrale Impulse und Wellenpakete Die Kohärenzlänge Diskrete Fourier-Transformation 515 Aufgaben Polarisation Die Natur des polarisierten Lichts Lineare Polarisation Zirkulare Polarisation Elliptische Polarisation Natürliches Licht Der Drehimpuls und das Photonenbild Polarisatoren Das malussche Gesetz Dichroismus Der Drahtgitterpolarisator Dichroitische Kristalle Das Polaroidfilter Doppelbrechung Kalkspat Doppelbrechende Kristalle Doppelbrechende Polarisatoren Streuung und Polarisation Polarisation durch Streuung Polarisation durch Reflexion Eine Anwendung der fresnelschen Gleichungen Phasenschieber 570

6 Inhalt XIII Phasenplättchen und Rhomboeder Kompensatoren Zirkularpolarisatoren Polarisation von polychromatischem Licht Bandbreite und Kohärenzzeit einer polychromatischen Welle Interferenzfarben Optische Aktivität Ein Modell Optisch aktive Biomoleküle Erzwungene optische Effekte - Optische Modulatoren Photoelastizität Der Faraday-Effekt Der Kerr-Effekt und der Pockels-Effekt Flüssigkristalle Eine mathematische Beschreibung der Polarisation Die stokesschen Parameter Die jonesschen Vektoren Die jonesschen und die Mueller-Matrizen 611 Aufgaben Interferenz Allgemeine Betrachtungen Interferenzbedingungen Zeitliche und räumliche Kohärenz Die Fresnel-Arago-Gesetze Interferometer mit Wellenfrontaufspaltung Das youngsche Doppelspaltexperiment Interferometer mit Amplitudenaufspaltung Dielektrische Schichten - Zweistrahlinterferenz Spiegel-Interferometer Typen und Lokalisierung von Interferenzmustern Mehrstrahlinterferenz Das Fabry-Perot-Interferometer Anwendungen von Ein- und Mehrschichtfilmen Mathematische Behandlung Reflexmindernde Schichten Periodische Mehrschichtsysteme Anwendungen der Interferometrie Streulichtinterferenz Das Twyman-Green-Interferometer Das rotierende Sagnac-Interferometer Radarinterferometrie 707 Aufgaben 711

7 XIV Inhalt 10 Beugung Einleitende Betrachtungen Das Fresnel-Huygens-Prinzip Undurchsichtige Hindernisse Fraunhofer- und Fresnelbeugung Mehrere kohärente Oszillatoren Fraunhoferbeugung Beugung am Einzelspalt Beugung am Doppelspalt Beugung an vielen Spalten Beugung an einer rechteckigen Öffnung." Beugung an einer kreisrunden Öffnung Das Auflösungsvermögen abbildender Systeme Der Besselstrahl nullter Ordnung Das Beugungsgitter Fresnelbeugung Die freie Ausbreitung einer Kugelwelle Die Vibrationskurve Kreisförmige Öffnungen Kreisförmige Hindernisse Die fresnelsche Zonenplatte Die fresnelschen Integrale und die Beugung am rechteckigen Loch Die Cornu-Spirale Fresnelbeugung am Spalt Beugung am halbunendlichen, undurchsichtigen Schirm Beugung an einem schmalen Hindernis Das Prinzip von Babinet Die skalare Beugungstheorie von Kirchhoff Beugungswellen 828 Aufgaben Fourier-Optik Einleitung _,, Fourier-Transformierte Eindimensionale Transformierte Zweidimensionale Transformierte Die diracsche Delta-Funktion Optische Anwendungen Lineare Systeme : Das Faltungsintegral 863 lt.3.3 Fourier-Methoden in der Beugungstheorie 872 ri.3.4 Spektren und Korrelation Übertragungsfunktionen 891 Aufgaben 900

8 Inhalt XV 12 Grundlagen der Kohärenztheorie Einführung Die Sichtbarkeit Die wechselseitige Kohärenzfunktion und der Kohärenzgrad Zeitliche und räumliche Kohärenz Kohärenz und Stellarinterferometrie Das Michelson-Stellarinterferometer Korrelationsinterferometrie 927 Aufgaben Moderne Optik Laser und Laserstrahlung Strahlungsenergie und Materie im Gleichgewicht Induzierte Emission Der Laser Das Wunder Laserlicht Das Bild als räumliche Verteilung optischer Information Raumfrequenzen Die abbesche Bildentstehungstheorie Räumliche Filterung Phasenkontrast Die Dunkelfeld- und die Schlierenmethode Holographie Verfahren Entwicklungen und Anwendungen Nichtlineare Optik Optische Gleichrichtung Erzeugung von Harmonischen Frequenzmischung Selbstfokussierung von Licht 1032 Aufgaben..../ Anhang 1: Theorie des Elektromagnetismus ~ Die maxwellschen Gleichungen in differenzieller Form Elektromagnetische Wellen 1042 Anhang 2: Kirchhoffsche Beugungstheorie 1047 Lösungen ausgewählter Aufgaben 1049 Literatur 1099 Sachverzeichnis 1107