Optik Wellen- und Teilchenoptik Heinz Niedrig 10. Auflage
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
E.7.2 Das Fermat'sche Prinzip 32 E.7.3 Die Strahlengleichung 34 1 Optische Abbildung Jürgen Kross 1.1 Einführung 3 7 1.2 Geradlinige Strahlenausbreitung 40 1.3 Reflexion, ebene Spiegel 4 3 1.4 Brechung, Totalreflexion, Abbildung an ebenen Flächen 50 1.4.1 Brechung 50 1.4.2 Totalreflexion 5 5 1.4.3 Abbildung durch Planflächen 60 1.4.4 Planplatten 62 1.4.5 Prismen 6 5 1.5 Gauß-Optik 7 6 1.5.1 Grundgrößen und Grundpunkte 7 8 1.5.2 Abbildung durch einzelne Flächen 84 1.5.3 Abbildung durch Flächenfolgen, Gauß-Matrizen 89 1.5.4 Linsen, zusammengesetzte Systeme 97 1.6 Strahlenbegrenzung, Blenden 10 5 1.7. Abbildungsfehler 11 4 1.7.1 Auswirkungen der Dispersion optischer Medien 114 1.7.2 Abbildung bei endlichen Aperturen und Feldern 122 1.8 Das Auge 139 1.9 Optische Instrumente 149 1.9.1 Strahlungs- und Informations-Übertragung 14 9 1.9.2 Ausgewählte optische Instrumente 157 2 Dispersion und Absorption des Lichte s Hans-Joachim Eichle r 2.1 Messung der Lichtgeschwindigkeit 18 9 2.1.1 Verfahren von Römer 190 2.1.2 Verfahren von Bradley 19 1 2.1.3 Verfahren von Fizeau 192 2.1.4 Verfahren von Foucault 19 3 2.1.5 Neuere Verfahren 19 5 2.2 Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit 19 7 2.3 Die Dispersion des Lichtes: Normale Dispersion 203 2.4 Achromatische und geradsichtige Prismen ; chromatische Bildfehler 21 3 2.5 Infrarote und ultraviolette Strahlung 220 2.5.1 Infrarote Strahlung 221
2.5.2 Strahlungsempfänger für Infrarot 225 2.5.3 Infrarotdurchlässige und -undurchlässige Materialien 229 2.5.4 Fourier-Spektroskopie 23 4 2.5.5 Ultraviolettes Licht (UV) 23 7 2.6 Absorption der Strahlung 242 2.7 Die Dispersion des Lichtes : Anomale Dispersion 24 8 2.8 Dispersion und Absorption schwach absorbierender Substanzen ; Anwendungen 25 5 2.8.1 Oszillatormodell zur Berechnung der Dispersion 25 6 2.8.2 Absorption und Dispersion bei einer und mehreren Eigenfrequenzen 25 9 2.8.3 Allgemeine Folgerungen und Anwendungen 26 4 2.9 Dispersion und Absorption der Metalle 27 1 2.10 Spektralanalyse, Emissions- und Absorptionsspektren, Dopplereffekt, Spektroskopie 28 0 2.10.1 Spektralapparate 28 1 2.10.2 Spektroskopie 284 2.10.3 Filter, Detektoren, Spektroskopie-Verfahren 29 3 3 Interferenz, Beugung und Wellenleitung Hans-Joachim Eichle r 3.1 Allgemeines über Interferenz von Lichtwellen 30 1 3.1.1 Mathematische Formulierung der Zweistrahlinterferenz 302 3.1.2 Kohärenz 30 5 3.1.3 Interferenzexperimente mit ausgedehnten Lichtquellen, örtliche Kohärenz 309 3.2 Fresnel'scher Spiegelversuch und Varianten 31 1 3.3 Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten 31 7 3.3.1 Planparallele Platten 31 7 3.3.2 Keilförmige Platten 323 3.3.3 Vergütung, Entspiegelung 328 3.3.4 Dielektrische Vielschichtenspiegel 33 0 3.4 Zweistrahlinterferometer 33 1 3.4.1 Michelson-Interferometer 33 1 3.4.2 Interferenzmikroskop 33 3 3.4.3 Jamin'sches Interferometer 33 4 3.5 Vielstrahlinterferenz ; Interferenzspektroskopie 33 5 3.5.1 Interferenzfilter 340 3.5.2 Interferenzspektroskopie 342 3.5.3 Fabry-Perot-Interferometer 344 3.6 Stehende Lichtwellen ; Farbenfotografie nach Lippmann 35 0 3.7 Lichtschwebungen 35 3 3.8 Grunderscheinungen der Beugung, Spalt, Lochblende 35 7 3.8.1 Beugung an einem Spalt 36 0 3.8.2 Beugung an einer kreisförmigen Lochblende 36 5 3.8.3 Fraunhofer'sche Beugung und Fourier-Transformation 366
3.9 Beugungsbegrenzung des Auflösungsvermögens optischer Instrumente 369 3.9.1 Fernrohr 369 3.9.2 Mikroskop 37 1 3.9.3 Prismenspektralapparat 373 3.9.4 Kontrastübertragungsfunktion 374 3.10 Beugung am Doppelspalt und Gitter 376 3.10.1 Beugung am Doppelspalt 37 8 3.10.2 Mehrfachspalte, Gitter 38 1 3.10.3 Volumengitter 38 8 3.10.4 Lichtbeugung an Ultraschallwellen 39 0 3.11 Beugung an zwei- und dreidimensionalen Gittern; Röntgenstrahlbeugung 39 3 3.11.1 Röntgenstrahlbeugung an Kristallgittern 39 8 3.11.2 Elastogramme 404 3.11.3 Photonische Kristalle 40 7 3.12 Bildentstehung im Mikroskop 408 3.12.1 Auflösungsvermögen des Mikroskops nach Abbe 40 8 3.12.2 Phasenkontrastverfahren nach Zernike 41 7 3.12.3 Schatten- und Schlierenmethode 42 1 3.13 Beugung an Teilchen, Lichtstreuung 423 3.13.1 Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen 42 4 3.13.2 Beugung an unregelmäßig angeordneten Objekten 42 6 3.13.3 Statistische Interferenzen, Speckle-Interferometrie 42 9 3.13.4 Theorie des Himmelblaus nach Rayleigh 42 9 3.14 Holographie 43 2 3.14.1 Das allgemeine Verfahren der Holographie 43 2 3.14.2 Transmissionshologramme mit ebenen Referenzwellen 43 5 3.14.3 Transmissionshologramme eines Bildpunktes bei kugelförmiger Referenzwelle 43 9 3.14.4 Aufnahmetechnik für Transmissions- und Reflexionshologramme 44 4 3.14.5 Holographische Interferometrie 45 0 3.14.6 Phasenkonjugation 45 1 3.15 Wellenleiter und Glasfasern 45 4 3.15.1 Grundlagen der Lichtleitung 45 5 3.15.2 Faserarten 46 0 3.15.3 Nachrichtenübertragung 46 4 3.15.4 Faser-Nichtlinearitäten 47 0 3.15.5 Materialien für Glas-Fasern 47 3 3.15.6 Anwendungen, integrierte Optik und Photonik 47 3 3.16 Nahfeld- und Nanooptik 47 5 4 Polarisation und Doppelbrechung des Lichte s Kurt Weber 4.1 Polarisation des Lichtes durch Reflexion und gewöhnliche Brechung 48 1 4.2 Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation ; Fresnel'sche Formeln 49 2 4.3 Totalreflexion, Erzeugung von elliptisch und zirkular polarisiertem Licht 50 0 4.4 Polarisation des reflektierten Lichtes bei absorbierenden Medien ; Metallreflexion 513
4.5 Doppelbrechung und Polarisation an optisch einachsigen Kristallen 522 4.6 Optisch zweiachsige Kristalle 550 4.7 Polarisatoren 554 4.8 Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichtes (optische Aktivität) 56 1 4.9 Optisches Verhalten und Symmetrie der Kristalle 574 4.10 Interferenzen an Kristallplatten im parallelen, polarisierten Strahlengang 582 4.11 Interferenzen im konvergenten Licht 59 5 4.12 Flüssigkristalle 60 1 4.13 Induzierte Doppelbrechung in isotropen Stoffen 61 5 4.14 Zeeman- und Stark-Effekt 622 5 Optische Strahlung und ihre Messung Heinrich Kaase, Felix Serick 5.1 Größen, Bezeichnungen, Einheiten 63 3 5.1.1 Physikalische Grundlagen 63 3 5.1.2 Licht- und Strahlungsgrößen 63 6 5.1.3 Photonengrößen 63 8 5.2 Lichterzeugung und Lampen 63 9 5.2.1 Strahlungsgesetze 63 9 5.2.2 Praktische Lichterzeugung 641 5.2.3 Elektrische Lichtquellen 642 5.2.4 Vorschaltgeräte und Netzrückwirkungen 65 0 5.3 Solarstrahlung 65 2 5.4 Messtechnik 65 7 5.4.1 Empfängeraufbau und -funktion 65 8 5.4.2 Notwendige Anpassungen 66 0 5.4.3 Messgeräte für die Lichttechnik 66 1 5.4.4 Strahlungsnormale 66 5 6 Farbmetrik Heinwig Lang 6.1 Farbmetrik und Physik 66 9 6.2 Spektrale Eigenschaften von Lichtquellen 67 3 6.3 Optische Filter 67 8 6.4 Spektrale Eigenschaften von Körperoberflächen 68 3 6.5 Lichtelektrische Empfänger in Photometrie und Farbmetrik 69 0 6.6 Additive Farbmischung und Graßmann'sche Gesetze 692 6.7 Farbgleichheit und Farbvalenz 70 3 6.8 Die Spektralwertkurven 70 7 6.9 Das Normvalenzsystem 71 5 6.10 Farbmessung 724 6.11 Physiologie des Farbensehens 72 9 6.12 Empfindungsgemäße Farbsysteme und Farbabstände 73 6 6.13 Körperfarben und Farbordnungen 74 3 6.14 Verfahren der Farbreproduktion 749
7 Quantenoptik Matthias Freyberger, Florian Haug, Wolfgang P. Schleich, Karl Voge l 7.1 Einleitung 75 9 7.1.1 Eine kurze Geschichte der Quantenoptik 75 9 7.1.2 Überblick 76 0 7.2 Feldquantisierung in Coulomb-Eichung 762 7.2.1 Entwicklung nach Moden 762 7.2.2 Quantisierung des elektromagnetischen Feldes 765 7.2.3 Reduktion auf eine Mode 767 7.3 Feldzustände 767 7.3.1 Reine und gemischte Zustände 76 8 7.3.2 Zustände mit wohldefinierter Photonenzahl 76 9 7.3.3 Kohärente Zustände 76 9 7.3.4 Schrödinger-Katzen-Zustände 77 1 7.3.5 Gequetschte Zustände 77 2 7.3.6 Thermische Zustände 77 5 7.3.7 Maße für das nichtklassische Verhalten von Zuständen 77 6 7.4 Atom-Feld-Wechselwirkung 777 7.4.1 Wechselwirkung zwischen elektrischem Dipol und Feld 778 7.4.2 Ein elementares Modell 779 7.4.3 Präparation von Quantenzuständen 784 7.5 Reservoir-Theorie 78 9 7.5.1 Mastergleichung 78 9 7.5.2 Dämpfung und Verstärkung 79 2 7.5.3 Dekohärenz 79 3 7.6 Ein-Atom-Maser 79 5 7.6.1 Mastergleichung 79 6 7.6.2 Photonenstatistik im Gleichgewicht 79 8 7.7 Atom-Reservoir-Wechselwirkung 800 7.7.1 Mastergleichung 80 1 7.7.2 Lamb-Verschiebung 80 2 7.7.3 Weisskopf-Wigner-Zerfall 80 2 7.8 Resonanzfluoreszenz 80 3 7.8.1 Modell 80 3 7.8.2 Spektrum und Anti-Bunching 804 7.9 Fundamentale Fragen der Quantenmechanik 806 7.9.1 Quantensprünge 806 7.9.2 Welle-Teilchen-Dualismus 80 8 7.9.3 Verschränkung 81 2 7.9.4 Bell'sche Ungleichung 81 2 7.10 Quanteninformationsverarbeitung 81 4 7.10.1 Quantenteleportation 81 4 7.10.2 Quantenkryptographie 816
8 Erzeugung von kohärentem Licht - LASE R Horst Weber 8.1 Das Rückkopplungsprinzip und Verstärkung von Licht 824 8.2 Herstellung eines Inversionszustandes 82 7 8.3 Ausgangsleistung eines Laser-Oszillators 83 3 8.4 Beispiele für Laseroszillatoren 83 6 8.4.1 Festkörperlaser 83 7 8.4.2 Abstimmbare Festkörperlaser 83 7 8.4.3 Gaslaser 83 8 8.4.4 Farbstoff Laser 842 8.4.5 Halbleiter-Laser 842 8.4.6 Plasma-Laser (Röntgen-Laser) 84 5 8.4.7 Freie Elektronenlaser 84 8 8.5 Spektrale Eigenschaften der Laseremission 85 1 8.5.1 Die stehenden, longitudinalen Wellen 85 1 8.5.2 Linienbreite 854 8.6 Die transversalen Wellenformen 85 9 8.6.1 Der optische Resonator mit Beugung 85 9 8.6.2 Der sphärische, stabile Resonator 86 1 8.6.3 Instabile Resonatoren 87 1 8.6.4 Mikroresonatoren 87 2 8.7 Erzeugung kurzer und ultrakurzer Lichtimpulse 87 5 8.7.1 Spiking-Betrieb 87 5 8.7.2 Gütemodulation (Q-switch) 87 7 8.7.3 Kopplung von Wellenformen (Mode-Locking) 88 1 8.7.4 Bestimmung der Pulsbreite 88 9 9 Nichtlineare Optik Horst Weber 9.1 Die allgemeine Beziehung zwischen der Polarisation des Mediums und der elektrischen Feldstärke 90 1 9.1.1 Ausbreitung von Licht in einem linearen Medium 90 1 9.1.2 Die Kennlinie des Elektrons 90 2 9.1.3 Beispiele für einige nichtlineare Effekte 90 6 9.2 Die Suszeptibilität für Effekte 2. und 3. Ordnung 90 7 9.3 Quantitative Beschreibung der Oberwellenerzeugung 91 4 9.3.1 Wellengleichung der nichtlinearen Optik und Lösungen 91 4 9.3.2 Realisierung der Phasenanpassung 91 8 9.4 Parametrische Systeme 92 8 9.5 Weitere quadratische Effekte 93 2 9.5.1 Der Pockels-Effekt (linearer, elektrooptischer Effekt) 93 2 9.5.2 Optische Gleichrichtung 938
9.6 Kubische Effekte 940 9.6.1 Elektrooptische Effekte 940 9.6.2 Entartete Vierwellen-Mischung 949 9.6.3 Kerr-Effekt, thermische Effekte und Photorefraktion 95 2 9.6.4 Vakuum-Doppelbrechung 95 3 9.6.5 Nichtlineare Absorption 95 3 9.7 Induzierte Streuung 956 9.7.1 Allgemeine Betrachtungen 95 6 9.7.2 Raman-Streuung 95 8 9.8 Nichtlineare Anregungsprozesse 980 9.8.1 Zweiphotonen-Anregung 980 9.8.2 Multiphotonen-Ionisierung 98 1 9.9 Erzeugung von ultraviolettem Licht durch Frequenzvervielfachung 98 6 9.9.1 Frequenzvervielfachung in mehreren Stufen 98 6 9.9.2 Frequenzvervielfachung in Metalldämpfen und Gasen 98 8 9.9.3 Frequenzvervielfachung in Plasmen 99 0 9.10 Optische Instabilitäten 99 1 10 Röntgenopti k Günter Schmah l 10.1 Röntgenquellen 100 0 10.1.1 Synchrotronstrahlungsquellen 100 1 10.1.2 Plasmaquellen 100 3 10.2 Elemente der Röntgenoptik 100 5 10.2.1 Wechselwirkung weicher Röntgenstrahlen mit Materie 100 5 10.2.2 Spiegel für Reflexion in streifendem Einfall 100 7 10.2.3 Spiegel für Reflexion in senkrechtem Einfall - Spiegel aus Mehrfachschichten 101 1 10.2.4 Zonenplatten 101 2 10.2.5 Brechungslinsen für harte Röntgenstrahlen 101 8 10.3 Röntgendetektoren 101 9 10.4 Röntgenmikroskopie 102 1 10.4.1 Röntgenmikroskope 1022 10.4.2 Rasterröntgenmikroskope 1026 10.5 Röntgen- und EUV-Lithographie 1027 11 Materiewellen, Elektronenoptik Hannes Lichte, Heinz Niedrig 11.1 Materiewellen 103 1 11.2 Elektronenbeugung 103 6 11.3 Elektronen-Interferometrie 1042 11.4 Elemente der Elektronenoptik 105 4 11.4.1 Elektronenoptische Brechzahl 1054
11.4.2 Elektronenlinsen, Brennweite 105 6 11.4.3 Bildfehler von Elektronenlinsen 107 1 11.5 Elektronenmikroskopie 107 9 11.5.1 Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) 108 1 11.5.2 Elektronenholographie 109 9 11.5.3 Rasterelektronenmikroskopie 110 5 11.5.4 Puls-Elektronenmikroskopie 111 0 11.6 Elektronenenergieverlust-Spektroskopie, energiefilternde Abbildung, Mikroanalyse 111 3 11.7 Elektronenstrahl-Lithographie 111 9 11.8 Teilchen und Welle 112 5 12 Rastersondenmikroskopie Harald Fuchs 12.1 Prinzip der oberflächensensitiven Rastersondenverfahren 113 3 12.2 Rastertunnelmikroskopie 113 5 12.2.1 Instrumentierung 113 7 12.2.2 Tunnelspektroskopie 113 8 12.2.3 Anwendungen der Rastertunnelmikroskopie 113 9 12.3 Rasterkraftmikroskopie 1142 12.3.1 Kontakt-Kraftmikroskopie 114 3 12.3.2 Statische Kraftspektroskopie 114 7 12.3.3 Dynamische Kraftmikroskopie 114 8 12.4 Optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) 115 2 12.5 Weitere Rastersondenverfahren und verwandte Methoden 115 7 13 Neutronenoptik Helmut Rauch 13.1 Einleitung und Grundgleichungen 116 1 13.2 Neutronenquellen und Detektoren 116 8 13.3 Brechung und Reflexion 117 1 13.4 Beugung an makroskopischen Objekten 117 6 13.5 Beugung in der Zeit 118 9 13.6 Beugung an perfekten Kristallen (Dynamische Beugung) 119 1 13.7 Interferometrie 119 7 13.8 Holographie 121 7 13.9 Optik mit ultrakalten Neutronen 121 8 14 Optik mit Materiewellen : Atomoptik Tilman Pfau 14.1 Einleitung 1229 14.2 Atom-Licht-Wechselwirkung 1232
14.3 Spontane Emission und Lichtkräfte 124 1 14.4 Zusammenfassung Lichtkräfte 1244 14.5 Vom Ofen zum Atomlaser : Quellen für Atomoptik 124 5 14.5.1 Thermische Quellen 124 5 14.5.2 Laserkühlverfahren 124 6 14.5.3 Verdampfungskühlung 1260 14.5.4 Bose-Einstein-Kondensation 126 1 14.6 Anwendungen der Atomoptik 1263 14.6.1 Atomlithographie 1263 14.6.2 Atominterferometrie 1272 14.6.3 Gedankenexperimente im Labor 128 9 14.7 Ausblick 129 2 15 Strahlungsprozesse und Optik in der Relativitätstheori e Erwin Sedlmay r 15.1 Spezielle Relativitätstheorie 129 8 15.1.1 Die Viererschreibweise der relativistischen Mechanik und Elektrodynamik 129 8 15.1.2 Der Energie-Impuls-Tensor 130 6 15.1.3 Lorentz-invarante Formulierung der Elektrodynamik 130 9 15.1.4 Teilchen in Magnetfeldern 131 6 15.1.5 Die Strahlung eines beschleunigten geladenen Punktteilchens 132 6 15.2 Allgemeine Relativitätstheorie 134 6 15.2.1 Gravitation und Krümmung der Raumzeit 134 6 15.2.2 Die Einstein'schen Feldgleichungen 134 9 15.2.3 Der Newton'sche Grenzfall 135 1 15.2.4 Die Bewegung eines Massenpunktes in einem gegebenen Gravitationsfeld 1354 15.2.5 Die Raumzeit-Metrik kugelförmiger Massenverteilungen 135 5 15.3 Experimentelle Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie 135 8 15.3.1 Frequenzänderung von Spektrallinien 135 9 15.3.2 Lichtablenkung im Gravitationsfeld 1364 15.3.3 Gravitationslinsen 136 6 15.3.4 Laufzeitverzögerung von Radiowellen 136 8 15.3.5 Periheldrehung der Planetenbahnen 1370 15.3.6 Perigäumsdrehung und Thirring-Lense-Effekt 1372 15.4 Gravitationswellen 1372 15.4.1 Emission von Gravitationswellen durch ein Doppelsternsystem 1378 15.4.2 Experimenteller Nachweis von Gravitationswellen auf der Erde 138 2 Anhang 15A : Kovariante und kontravariante Vektoren 138 6 Anhang 15B : Lorentz-Transformationen 138 9 Register 139 7 Farbtafeln 1431