Optik. von Eugene Hecht. Oldenbourg Verlag München Wien. 4., überarbeitete Auflage. Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer

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1 Optik von Eugene Hecht 4., überarbeitete Auflage Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhalt Vorwort V 1 Ein kurzer Ausflug in die Geschichte Vorbemerkung Die Ursprünge Vom siebzehnten Jahrhundert an Das neunzehnte Jahrhundert Das zwanzigste Jahrhundert 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 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 ampkresche Verkettungsgesetz Die maxwellschen Gleichungen Elektromagnetische Wellen Transversalwellen Energie und Impuls Der Poynting-Vektor Die Bestrahlungsstärke... 88

3 X lnhal t 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 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 Die abklingende Welle... Optische Eigenschaften von Metallen Alltägliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie Die stokessche Behandlung der Reflexion und Brechung Photonen, Wellen und Wahrscheinlichkeit Quantenelektrodynamik

4 Inhalt XI 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... DieLupe... Okulare... Das Mikroskop... Die Kamera... Das Fernrohr... Wellenfrontumformung... Adaptive Optik... Phasenkonjugation... Gravitationslinsen Geometrische Optik: Weiterführende Themen Dicke Linsen und Linsensysteme Strahlenverlaufsberechnung Matrizenmethoden Aberrationen Monochromatische Aberrationen Chromatische Aberrationen Gradient-Index-Systeme Abschließende Bemerkungen

5 XI1 Inhalt I 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... Gruppengeschwindigkei t... Anharmonische periodische Wellen... Fourierreihen... Nichtperiodische Wellen... Fourier-Integrale... Impulse und Wellenpakete... Die Kohärenzlänge... Diskrete Fourier-Transformation... 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... Phasenplättchen und Rhomboeder... Kompensatoren... Zirkularpolarisatoren... Polarisation von polychromatischem Licht

6 Inhalt XI 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 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 Beugung Einleitende Betrachtungen Das Fresnel-Huygens-Prinzip Undurchsichtige Hindernisse

7 XIV 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 Fourier-Optik Einleitung Fourier-Transformierte Eindimensionale Transformierte Zweidimensionale Transformierte Die diracsche Delta-Funktion Optische Anwendungen Lineare Systeme Das Faltungsintegral Fourier-Methoden in der Beugungstheorie Spektren und Korrelation Übertragungsfunktionen Grundlagen der Kohärenztheorie Einführung Die Sichtbarkeit... Inhalt

8 Inhalt xv 12.3 Die wechselseitige Kohärenzfunktion und der Kohärenzgrad Zeitliche und räumliche Kohärenz Kohärenz und Stellarinterferometrie Das Michelson-Stellarinterferometer Korrelationsinterferometrie Moderne Optik Laser und Laserstrahlung Strahlungsenergie und Materie im Gleichgewicht Induzierte Emission DerLaser 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 Anhang 1: Theorie des Elektromagnetismus Die maxwellschen Gleichungen in differenzieller Form Elektromagnetische Wellen Anhang 2: Kirchhoffsche Beugungstheorie 1041 Lösungen ausgewählter Aufgaben 1043 Literatur 1092 Sachverzeichnis 1099