5.1. Wellenoptik d 2 E/dx 2 = m 0 e 0 d 2 E/dt 2 Die Welle hat eine Geschwindigkeit von 1/(m 0 e 0 ) 1/2 = 3*10 8 m/s Das ist die

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1 5. Optik

2 5.1. Wellenoptik d 2 E/dx 2 = m 0 e 0 d 2 E/dt 2 Die Welle hat eine Geschwindigkeit von 1/(m 0 e 0 ) 1/2 = 3*10 8 m/s Das ist die Lichtgeschwindigkeit! In Materie ergibt sich eine andere Geschwindikeit mit einem Faktor (me) 1/2 : Das beschreibt die optischen Eigenschaften

3 Was ändert sich nicht beim Uebergang von einem Medium ins andere? A B C D der Brechungsindex die Wellenlänge die Wellengeschwindigkeit die Frequenz

4 Brechungsindex und das Snellsche Gesetz

5 Interferenz - Doppelspalt konstruktiv nl = dsinf destruktiv (n+1/2)l = dsinf

6 Interferenz Farben

7 Auf kleinen Skalen hat der Flügel periodische Strukturen, die das Licht brechen und relektieren 30 mm 1.6 mm 1.5 mm

8 Je nach Wegunterschied, interferiert das Licht konstruktiv oder destruktiv

9 Wenn die Dicke der Schicht etwa der Wellenlänge entspricht, kann Interferenz auftreten konstruktive Interferenz destruktive Interferenz Wenn wir die Lichtpfadlänge berechnen erhalten wir konstruktive Interferenz für (m+1/2) l = 2 d n

10 Für viele Schichten in Reihe ergibt das eine scharfe Reflektivität für bestimmte Wellenlängen

11 Der gleiche Effekt verleiht Seifenblasen und CDs ihren Schimmer

12 Beugung am Spalt

13 Intensitätsverteilung

14 Der Glory-Effekt oder Heiligenschein Das ist ein Beugungsmuster und kein Regenbogen! Die Winkelöffnung ist durch die Teilchengrösse gegeben

15 Fourier-Transformation eines Gitters

16 Röntgenbeugung P q Winkel gibt zusammen mit P den Durchmesser der Helix Abstand proportional zu 1/P

17 Beugungsmuster von B-DNA

18 Hat die Auflösungsgrenze eines Mikroskops zur Folge

19 5.2. Polarisation

20 Polarisation durch Reflexion

21 Polarisation durch Doppelbrechung

22 Photoelastizität

23 Orientierung der Polarisation ist wichtig

24 Navigation mit Polarization: Wüstenameise Cataglyphis

25 Schnelle Rückkehr zum Nest

26 Polarization durch Streuung im Himmel (Rayleigh Streuung)

27 Polarisationsmuster

28 Streuung vor allem im Blauen gibt die Farbe des Himmels

29 Anatomie der Ameisenaugen zum Polarisationssehen

30 Geordnete Strukturen um polarisiertes Licht zu sehen

31 Funktioniert nur im nahen UV gegeben durch Wellenlängenabhängigkeit der Streuung

32 5.3. geometrische Optik und Mikroskopie Einfache Beschreibung an Grenzen durch Strahlen Brechung und Reflexion

33 Was passiert wenn Sie Licht im Winkel sin(a) = 1/n aus einem Medium herausschicken? A B C D Das Licht in der Luft ändert die Farbe Das Licht kommt nicht aus dem Medium heraus Es kommt besonders viel Licht heraus Nichts besonderes

34 Linsen gekrümmte Grenzflächen

35 Wie wirkt die konvexe Linse in Wasser? A B C Als Sammellinse Als Streulinse gar nicht

36 Wie steht das Bild in einem Hohlspiegel? A B C Aufrecht Auf dem Kopf das kommt auf den Abstand an

37 Mikroskop eine Linse

38 Das Auge

39 Moderne Mikroskope brauchen zwei Linsen

40 Möglich nötige Korrekturen von Farbabhängigkeit des Brechungsindex und sphärischer Abberation (Verschmierung durch grossen Oeffnungswinkel)

41 Wieviele Bilder sehen Sie in einem doppelten Spiegel? A B C D E Eins Zwei Drei Vier keins

42 5.4. Absoptionsprozesse Licht kann Elektronenschwingungen anregen. Wenn die Frequenz resonant ist, wird das licht absorbiert

43 Absorption im Auge

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46 Welche Farbe erhalten Sie wenn Sie blaues und gelbes Licht mischen? A B C D E rot weiss violett grün orange

47 Pigmente

48 Absorption in der Atmosphäre

49 Was fällt auf an der Intensitätsverteilung eines Regenbogens? A B C Nichts Innen heller als Aussen Aussen heller als Innen

50 Regenbogen

51 Einzelner Regentropfen

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54 Ist ein Regenbogen polarisiert? A B C D Nein Das kommt auf den Blickwinkel an Ja, tangential zum Bogen Ja, radial zum Bogen

55 Fluoreszenz Vibrationszustände

56 Welche Farbe muss Licht haben um einen gelb fluoreszierenden Stoff anzuregen? A B C D E rot gelb ultra-violett infrarot grün

57 Bekannte fluoreszente Biomarker Green fluorescent protein (GFP)

58 Epi-Fluoreszenz Mikroskop Dichroider Spiegel (Interferenzeffekt - Schmetterlingsflügel) reflektiert blaues Licht, aber lässt grünes durch

59 Konfokalmikroskop Meist in Verbindung mit Fluoreszenz-Mikroskopie

60 Neue Entwicklungen Zwei Photonen Mikroskopie Prinzip fluoro schwächste absorption 2 NIR Photonen gleichzeitig absorbiert

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62 Photo-activated localization microscopy (PALM)

63 Braucht ein Photo-aktivierbares Imaging laser (657 nm) Fluorophor Activator Cy3 Reporter Cy5 Activation laser pulses Cy5 fluorescence 6000 photons Time (s) Cy3 Cy5 Activation Cy3 Cy5 Activation laser (532 nm)

64 5 μm B-SC-1 cell, Microtubules stained with anti-β tubulin Cy3 / Alexa 647 secondary antibody

65 5 μm Bates et al, Science 317, (2007)