Optik. Lichtstrahlen -Wellen - Photonen. Wolfgang Zinth Ursula Zinth. von. 4., aktualisierte Auflage. OldenbourgVerlag München

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1 Optik Lichtstrahlen -Wellen - Photonen von Wolfgang Zinth Ursula Zinth 4., aktualisierte Auflage OldenbourgVerlag München

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Einführung und historischer Überblick v 1 Licht als elektromagnetische Welle 2.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen Energie und Impuls von Licht Wellenpakete Phasen- und Gruppengeschwindigkeit Dispersion von Licht Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante Der Brechungsindex Die Absorption von Licht Die Dispersion von dichten Medien Brechungsindex und Absorption von Metallen Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen Reflexions- und Brechungsgesetz Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche Totalreflexion und evaneszentewellen Lichtwellenleiter Lichtleitung durch Totalreflexion Moden in einem optischen Wellenleiter** Lichtausbreitung in einem Hohlleiter** Moden in einem dielektrischen Wellenleiter** Lichtleitfasern Herstellung von Glasfasern Absorbierende und streuende Medien Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien Die Farbe von Gegenständen Streuung von elektromagnetischen Wellen

3 VIII Inhaltsverzeichnis Die Geometrische Optik Das Fermatsche Prinzip 70 Das Reflexionsgesetz Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz 74 Strahlenablenkung durch ein Prisma 77 Der Regenbogen Die optische Abbildung 86 Reelle und virtuelle Abbildungen " 86 Abbildung an einem Kugelspiegel 87 Abbildung durch brechende Kugelflächen Abbildungsgleichung für dünne Linsen Dicke Linsen und Linsensysteme 97 Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen mit dem Matrizen-Verfahren Anwendungen der Matrizenmethode Linsenfehler " 107 Begrenzungen in optischen Systemen 113 Design und Herstellung von Objektiven Instrumente der geometrischen Optik 117 Der Projektionsapparat 117 Die photographische Kamera Das Auge 123 Vergrößernde optische Instrumente 126 Welleneigenschaften von Licht 137 Qualitative Behandlung der Beugung Das Huygenssche Prinzip 138 Die Fresnelsche Beugung Mathematische Behandlung der Beugung 144 Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie** 144 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung 146 Fraunhofersche Beugung 148 Das Babinetsche Prinzip 149 Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung.. '" 149 Beugung an einem langen Spalt... '" 149 Beugung an einer Rechteckblende 154 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 155 Beugung am Doppelspalt 156 Beugung am Gitter Gitterspektrometer " 166 Beugung an mehrdimensionalen Gittern

4 Inhaltsverzeichnis IX Interferenz, 173 Die Kohärenz von Lichtquellen,. 174 Spezielle Interferometeranordnungen 177 Interferenzen dünner Schichten 182 Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers 192 Anwendungen von Beugung und Interferenz 199 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte 199 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik 205 Holographie 210 Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel* '" 214 Gaußsche Bündel und abbildende Elemente** 221 Die Polarisation von Licht 225 Polarisationszustände von Licht 225 Polarisatoren 228 Doppelbrechung 233 Anwendungen der Doppelbrechung 242 Induzierte Doppelbrechung 245 Optische Aktivität und Faraday-Effekt 251 Nichtlineare Optik 256 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpfte Phänomene* " 257 Mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpfte Phänomene* 260 Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen 265 Der Photoeffekt 265 Eigenschaften von Photonen 271 Licht ist Welle und Teilchenstrom 274 Doppelspalt als Instrument zur Unterscheidung von Welle und Teilchen 275 Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht* 278 Strahlungsgesetze und Lichtquellen 289 Strahlungsphysikalische Größen 289 Lichttechnische Größen* 294 Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz 296 Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers 298 Strahlungsgesetze 300 Die Plancksche Strahlungsformel 302 Lichtquellen für Beleuchtungszwecke* 306 Der Laser 309

5 x Inhaltsverzeichnis A Anhang: Fouriertransformation A.1 Fourierreihen 317 A.2 Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer Funktionen 321 A.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 324 AA Rechenrege1n für Fouriertransformationen 326 A.5 Eigenschaften der De1tafunktion Vertiefende Literatur Sachverzeichnis Kapitel behandeln Themen mit starkem Anwendungsbezug. Abschnitte präsentieren umfangreiche theoretisch-mathematische Ableitungen und können beim ersten Lesen übergangen werden.