Optik Wellen- und Teilchenoptik

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1 Optik Wellen- und Teilchenoptik Heinz Niedrig 10. Auflage

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3 Energieeinheiten und Äquivalentwerte XIX Strahlungsphysikalische Größen und Einheiten XIX Lichttechnische Größen und Einheiten XX Tabelle der Fundamentalkonstanten XXI E Einführung : Von den Maxwell'schen Gleichungen zur Geometrischen Opti k Horst Weber E.1 Die Maxwell'schen Gleichungen 3 E.1.1 Die Feldgleichungen 3 E.1.2 Die Materialgleichungen 4 E.2 Monochromatische Schwingungen und die komplexe Schreibweise 5 E.2.1 Zeitliche Fourier-Transformation und Spektrum 5 E.2.2 Lineare Medien und die Materialgleichungen 6 E.2.3 Das Lorentz-Modell der Wechselwirkung, ein Beispiel für ein lineares dielektrisches Medium 8 E.3 Energetische Betrachtungen 1 0 E.3.1 Energiedichte 1 0 E.3.2 Poynting-Vektor, Intensität und Energieerhaltung 1 0 E.3.3 Verlustfreie Medien 1 1 E.4 Die Wellengleichung und einfache Lösungen 1 2 E.4.1 Homogenes, isotropes, nichtleitendes, ladungsfreies, lineares Mediu m (? = 0,e = 0) 1 3 E.4.2 Die ebene Welle im verlustfreien Medium 1 3 E.4.3 Die ebene Welle im verlustbehafteten Medium 1 7 E.4.4 Dipolstrahlung und Kugelwelle 1 8 E.4.5 Die Polarisation der Lichtwelle 1 9 E.4.6 Anisotrope, lineare, nichtabsorbierende dielektrische Medien 20 E.4.7 Nichtlineare dielektrische Medien 22 E.5 Grenzbedingungen 23 E.6 Beugungsprobleme 24 E.6.1 Die reduzierte Wellengleichung 2 5 E.6.2 Das Fresnel'sche Beugungsintegral 2 6 E.6.3 Der Gauß'sche Strahl 2 7 E.6.4 Das Fraunhofer'sche Beugungsintegral 3 0 E.7 Geometrische Optik 3 0 E.7.1 Die Eikonalgleichung 30

4 E.7.2 Das Fermat'sche Prinzip 32 E.7.3 Die Strahlengleichung 34 1 Optische Abbildung Jürgen Kross 1.1 Einführung Geradlinige Strahlenausbreitung Reflexion, ebene Spiegel Brechung, Totalreflexion, Abbildung an ebenen Flächen Brechung Totalreflexion Abbildung durch Planflächen Planplatten Prismen Gauß-Optik Grundgrößen und Grundpunkte Abbildung durch einzelne Flächen Abbildung durch Flächenfolgen, Gauß-Matrizen Linsen, zusammengesetzte Systeme Strahlenbegrenzung, Blenden Abbildungsfehler Auswirkungen der Dispersion optischer Medien Abbildung bei endlichen Aperturen und Feldern Das Auge Optische Instrumente Strahlungs- und Informations-Übertragung Ausgewählte optische Instrumente Dispersion und Absorption des Lichte s Hans-Joachim Eichle r 2.1 Messung der Lichtgeschwindigkeit Verfahren von Römer Verfahren von Bradley Verfahren von Fizeau Verfahren von Foucault Neuere Verfahren Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit Die Dispersion des Lichtes: Normale Dispersion Achromatische und geradsichtige Prismen ; chromatische Bildfehler Infrarote und ultraviolette Strahlung Infrarote Strahlung 221

5 2.5.2 Strahlungsempfänger für Infrarot Infrarotdurchlässige und -undurchlässige Materialien Fourier-Spektroskopie Ultraviolettes Licht (UV) Absorption der Strahlung Die Dispersion des Lichtes : Anomale Dispersion Dispersion und Absorption schwach absorbierender Substanzen ; Anwendungen Oszillatormodell zur Berechnung der Dispersion Absorption und Dispersion bei einer und mehreren Eigenfrequenzen Allgemeine Folgerungen und Anwendungen Dispersion und Absorption der Metalle Spektralanalyse, Emissions- und Absorptionsspektren, Dopplereffekt, Spektroskopie Spektralapparate Spektroskopie Filter, Detektoren, Spektroskopie-Verfahren Interferenz, Beugung und Wellenleitung Hans-Joachim Eichle r 3.1 Allgemeines über Interferenz von Lichtwellen Mathematische Formulierung der Zweistrahlinterferenz Kohärenz Interferenzexperimente mit ausgedehnten Lichtquellen, örtliche Kohärenz Fresnel'scher Spiegelversuch und Varianten Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten Planparallele Platten Keilförmige Platten Vergütung, Entspiegelung Dielektrische Vielschichtenspiegel Zweistrahlinterferometer Michelson-Interferometer Interferenzmikroskop Jamin'sches Interferometer Vielstrahlinterferenz ; Interferenzspektroskopie Interferenzfilter Interferenzspektroskopie Fabry-Perot-Interferometer Stehende Lichtwellen ; Farbenfotografie nach Lippmann Lichtschwebungen Grunderscheinungen der Beugung, Spalt, Lochblende Beugung an einem Spalt Beugung an einer kreisförmigen Lochblende Fraunhofer'sche Beugung und Fourier-Transformation 366

6 3.9 Beugungsbegrenzung des Auflösungsvermögens optischer Instrumente Fernrohr Mikroskop Prismenspektralapparat Kontrastübertragungsfunktion Beugung am Doppelspalt und Gitter Beugung am Doppelspalt Mehrfachspalte, Gitter Volumengitter Lichtbeugung an Ultraschallwellen Beugung an zwei- und dreidimensionalen Gittern; Röntgenstrahlbeugung Röntgenstrahlbeugung an Kristallgittern Elastogramme Photonische Kristalle Bildentstehung im Mikroskop Auflösungsvermögen des Mikroskops nach Abbe Phasenkontrastverfahren nach Zernike Schatten- und Schlierenmethode Beugung an Teilchen, Lichtstreuung Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen Beugung an unregelmäßig angeordneten Objekten Statistische Interferenzen, Speckle-Interferometrie Theorie des Himmelblaus nach Rayleigh Holographie Das allgemeine Verfahren der Holographie Transmissionshologramme mit ebenen Referenzwellen Transmissionshologramme eines Bildpunktes bei kugelförmiger Referenzwelle Aufnahmetechnik für Transmissions- und Reflexionshologramme Holographische Interferometrie Phasenkonjugation Wellenleiter und Glasfasern Grundlagen der Lichtleitung Faserarten Nachrichtenübertragung Faser-Nichtlinearitäten Materialien für Glas-Fasern Anwendungen, integrierte Optik und Photonik Nahfeld- und Nanooptik Polarisation und Doppelbrechung des Lichte s Kurt Weber 4.1 Polarisation des Lichtes durch Reflexion und gewöhnliche Brechung Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation ; Fresnel'sche Formeln Totalreflexion, Erzeugung von elliptisch und zirkular polarisiertem Licht Polarisation des reflektierten Lichtes bei absorbierenden Medien ; Metallreflexion 513

7 4.5 Doppelbrechung und Polarisation an optisch einachsigen Kristallen Optisch zweiachsige Kristalle Polarisatoren Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichtes (optische Aktivität) Optisches Verhalten und Symmetrie der Kristalle Interferenzen an Kristallplatten im parallelen, polarisierten Strahlengang Interferenzen im konvergenten Licht Flüssigkristalle Induzierte Doppelbrechung in isotropen Stoffen Zeeman- und Stark-Effekt Optische Strahlung und ihre Messung Heinrich Kaase, Felix Serick 5.1 Größen, Bezeichnungen, Einheiten Physikalische Grundlagen Licht- und Strahlungsgrößen Photonengrößen Lichterzeugung und Lampen Strahlungsgesetze Praktische Lichterzeugung Elektrische Lichtquellen Vorschaltgeräte und Netzrückwirkungen Solarstrahlung Messtechnik Empfängeraufbau und -funktion Notwendige Anpassungen Messgeräte für die Lichttechnik Strahlungsnormale Farbmetrik Heinwig Lang 6.1 Farbmetrik und Physik Spektrale Eigenschaften von Lichtquellen Optische Filter Spektrale Eigenschaften von Körperoberflächen Lichtelektrische Empfänger in Photometrie und Farbmetrik Additive Farbmischung und Graßmann'sche Gesetze Farbgleichheit und Farbvalenz Die Spektralwertkurven Das Normvalenzsystem Farbmessung Physiologie des Farbensehens Empfindungsgemäße Farbsysteme und Farbabstände Körperfarben und Farbordnungen Verfahren der Farbreproduktion 749

8 7 Quantenoptik Matthias Freyberger, Florian Haug, Wolfgang P. Schleich, Karl Voge l 7.1 Einleitung Eine kurze Geschichte der Quantenoptik Überblick Feldquantisierung in Coulomb-Eichung Entwicklung nach Moden Quantisierung des elektromagnetischen Feldes Reduktion auf eine Mode Feldzustände Reine und gemischte Zustände Zustände mit wohldefinierter Photonenzahl Kohärente Zustände Schrödinger-Katzen-Zustände Gequetschte Zustände Thermische Zustände Maße für das nichtklassische Verhalten von Zuständen Atom-Feld-Wechselwirkung Wechselwirkung zwischen elektrischem Dipol und Feld Ein elementares Modell Präparation von Quantenzuständen Reservoir-Theorie Mastergleichung Dämpfung und Verstärkung Dekohärenz Ein-Atom-Maser Mastergleichung Photonenstatistik im Gleichgewicht Atom-Reservoir-Wechselwirkung Mastergleichung Lamb-Verschiebung Weisskopf-Wigner-Zerfall Resonanzfluoreszenz Modell Spektrum und Anti-Bunching Fundamentale Fragen der Quantenmechanik Quantensprünge Welle-Teilchen-Dualismus Verschränkung Bell'sche Ungleichung Quanteninformationsverarbeitung Quantenteleportation Quantenkryptographie 816

9 8 Erzeugung von kohärentem Licht - LASE R Horst Weber 8.1 Das Rückkopplungsprinzip und Verstärkung von Licht Herstellung eines Inversionszustandes Ausgangsleistung eines Laser-Oszillators Beispiele für Laseroszillatoren Festkörperlaser Abstimmbare Festkörperlaser Gaslaser Farbstoff Laser Halbleiter-Laser Plasma-Laser (Röntgen-Laser) Freie Elektronenlaser Spektrale Eigenschaften der Laseremission Die stehenden, longitudinalen Wellen Linienbreite Die transversalen Wellenformen Der optische Resonator mit Beugung Der sphärische, stabile Resonator Instabile Resonatoren Mikroresonatoren Erzeugung kurzer und ultrakurzer Lichtimpulse Spiking-Betrieb Gütemodulation (Q-switch) Kopplung von Wellenformen (Mode-Locking) Bestimmung der Pulsbreite Nichtlineare Optik Horst Weber 9.1 Die allgemeine Beziehung zwischen der Polarisation des Mediums und der elektrischen Feldstärke Ausbreitung von Licht in einem linearen Medium Die Kennlinie des Elektrons Beispiele für einige nichtlineare Effekte Die Suszeptibilität für Effekte 2. und 3. Ordnung Quantitative Beschreibung der Oberwellenerzeugung Wellengleichung der nichtlinearen Optik und Lösungen Realisierung der Phasenanpassung Parametrische Systeme Weitere quadratische Effekte Der Pockels-Effekt (linearer, elektrooptischer Effekt) Optische Gleichrichtung 938

10 9.6 Kubische Effekte Elektrooptische Effekte Entartete Vierwellen-Mischung Kerr-Effekt, thermische Effekte und Photorefraktion Vakuum-Doppelbrechung Nichtlineare Absorption Induzierte Streuung Allgemeine Betrachtungen Raman-Streuung Nichtlineare Anregungsprozesse Zweiphotonen-Anregung Multiphotonen-Ionisierung Erzeugung von ultraviolettem Licht durch Frequenzvervielfachung Frequenzvervielfachung in mehreren Stufen Frequenzvervielfachung in Metalldämpfen und Gasen Frequenzvervielfachung in Plasmen Optische Instabilitäten Röntgenopti k Günter Schmah l 10.1 Röntgenquellen Synchrotronstrahlungsquellen Plasmaquellen Elemente der Röntgenoptik Wechselwirkung weicher Röntgenstrahlen mit Materie Spiegel für Reflexion in streifendem Einfall Spiegel für Reflexion in senkrechtem Einfall - Spiegel aus Mehrfachschichten Zonenplatten Brechungslinsen für harte Röntgenstrahlen Röntgendetektoren Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskope Rasterröntgenmikroskope Röntgen- und EUV-Lithographie Materiewellen, Elektronenoptik Hannes Lichte, Heinz Niedrig 11.1 Materiewellen Elektronenbeugung Elektronen-Interferometrie Elemente der Elektronenoptik Elektronenoptische Brechzahl 1054

11 Elektronenlinsen, Brennweite Bildfehler von Elektronenlinsen Elektronenmikroskopie Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) Elektronenholographie Rasterelektronenmikroskopie Puls-Elektronenmikroskopie Elektronenenergieverlust-Spektroskopie, energiefilternde Abbildung, Mikroanalyse Elektronenstrahl-Lithographie Teilchen und Welle Rastersondenmikroskopie Harald Fuchs 12.1 Prinzip der oberflächensensitiven Rastersondenverfahren Rastertunnelmikroskopie Instrumentierung Tunnelspektroskopie Anwendungen der Rastertunnelmikroskopie Rasterkraftmikroskopie Kontakt-Kraftmikroskopie Statische Kraftspektroskopie Dynamische Kraftmikroskopie Optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) Weitere Rastersondenverfahren und verwandte Methoden Neutronenoptik Helmut Rauch 13.1 Einleitung und Grundgleichungen Neutronenquellen und Detektoren Brechung und Reflexion Beugung an makroskopischen Objekten Beugung in der Zeit Beugung an perfekten Kristallen (Dynamische Beugung) Interferometrie Holographie Optik mit ultrakalten Neutronen Optik mit Materiewellen : Atomoptik Tilman Pfau 14.1 Einleitung Atom-Licht-Wechselwirkung 1232

12 14.3 Spontane Emission und Lichtkräfte Zusammenfassung Lichtkräfte Vom Ofen zum Atomlaser : Quellen für Atomoptik Thermische Quellen Laserkühlverfahren Verdampfungskühlung Bose-Einstein-Kondensation Anwendungen der Atomoptik Atomlithographie Atominterferometrie Gedankenexperimente im Labor Ausblick Strahlungsprozesse und Optik in der Relativitätstheori e Erwin Sedlmay r 15.1 Spezielle Relativitätstheorie Die Viererschreibweise der relativistischen Mechanik und Elektrodynamik Der Energie-Impuls-Tensor Lorentz-invarante Formulierung der Elektrodynamik Teilchen in Magnetfeldern Die Strahlung eines beschleunigten geladenen Punktteilchens Allgemeine Relativitätstheorie Gravitation und Krümmung der Raumzeit Die Einstein'schen Feldgleichungen Der Newton'sche Grenzfall Die Bewegung eines Massenpunktes in einem gegebenen Gravitationsfeld Die Raumzeit-Metrik kugelförmiger Massenverteilungen Experimentelle Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Frequenzänderung von Spektrallinien Lichtablenkung im Gravitationsfeld Gravitationslinsen Laufzeitverzögerung von Radiowellen Periheldrehung der Planetenbahnen Perigäumsdrehung und Thirring-Lense-Effekt Gravitationswellen Emission von Gravitationswellen durch ein Doppelsternsystem Experimenteller Nachweis von Gravitationswellen auf der Erde Anhang 15A : Kovariante und kontravariante Vektoren Anhang 15B : Lorentz-Transformationen Register Farbtafeln 1431