Dass die Optik wichtig ist, das weiß jedes Kind, aber auch als Teilgebiet der Physik ist Optik von Bedeutung. Galen Duree gibt Ihnen eine schnelle Einführung in die physikalischen und mathematischen Grundlagen der Physik. Dann erklärt er Ihnen, was Sie über Wellen und Strahlen wissen sollten. Er erläutert praktische Anwendungen der Optik in der Industrie und wendet sich fortgeschrittenen optischen Systemen zu. Zuletzt wirft er noch einen Blick auf komplexere Themen wie Quantenoptik.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 23
Ü ber dieses Buch 23
Vereinbarungen in diesem Buch 24
Was Sie nicht lesen mü ssen 25
Einige tö richte Annahmen 25
Der Aufbau dieses Buches 25
Teil I: Es geht los: Die Grundlagen der Optik 26
Teil II: Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 26
Teil III: Ausnutzen des Wellencharakters: Die Wellenoptik 26
Teil IV: Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 26
Teil V: Es wird komplexer: Optische Hybridsysteme 26
Teil VI: Mehr als nur Bilder: Moderne Optik 26
Teil VII: Der Top-Ten-Teil 27
Symbole in diesem Buch 27
Wie es weitergeht 27
Teil I Es geht los: Die Grundlagen der Optik 29
Kapitel 1 Die Wissenschaft des Lichts: Einfü hrung in die Optik 31
Die Eigenschaften des Lichts 31
Erzeugung von Bildern mit Hilfe der Teilcheneigenschaften des Lichts 32
Sich die Welleneigenschaften zunutze machen: Interferenz und Beugung 32
Die Optik zu Ihrem Vorteil verwenden: Grundlegende Anwendungen 33
Ihr Verstä ndnis der Optik erweitern 33
Komplizierte Anwendungen 34
Anwendungen der modernen Optik 34
Sie ebneten den Weg: Beiträ ge zur Optik 35
Kapitel 2 Auffrischung der fü r die Optik wichtigen Mathematikund Physik-Kenntnisse 37
Physikalische Messungen durchfü hren 37
Ihre Mathematik-Kenntnisse auffrischen 38
Mit Variablen jonglieren 38
Bestimmung von Lä ngen und Winkeln mithilfe der Trigonometrie 40
Das Unbekannte anhand der Algebra erforschen 43
Wiederholung der Wellenphysik 47
Die Wellenfunktion: Ihre Merkmale und die Variablen 47
Das Medium ist wichtig: Mechanische Wellen 49
Verwendung von Wellenfronten in der Optik 50
Kapitel 3 Eine kleine Studie des Lichts: Die Grundlagen 51
Entwicklung erster Ideen von der Natur des Lichts 51
Ü ber die Teilchentheorie des Lichts nachdenken 51
Durch die Wellentheorie des Lichts spazieren 52
Lichtwellen nä her betrachten 53
Wenn Licht eine Welle ist, was schwingt? Die elektromagnetische Strahlung verstehen 53
Mit Wellenlä ngen und Frequenzen rechnen: Das elektromagnetische Spektrum 55
Die Intensitä t und die Leistung des Lichts 56
Einsteins revolutionä re Vorstellung von Licht: Quanten 57
Der photoelektrische Effekt und die Probleme mit der Wellentheorie 57
Verschmelzen von Teilchen- und Welleneigenschaften: Das Photon 58
Es werde Licht: Drei Prozesse zur Erzeugung von Licht 59
Atomü bergä nge 59
Beschleunigte geladene Teilchen 60
Materie-Antimaterie-Kollision 61
Die drei Gebiete der Optik 61
Geometrische Optik: Licht als Strahlen betrachten 61
Physikalische Optik: Die Welleneigenschaften des Lichts erforschen 61
Quantenoptik: Eine kleine Anzahl von Photonen untersuchen 62
Kapitel 4 Die Richtung des Lichts festlegen 63
Reflexion: Wenn Licht auf Oberflä chen prallt 63
Die Richtung des Lichts bestimmen 64
Die Rolle der Oberflä chen bei der spiegelnden und der diffusen Reflexion 65
Der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung 66
Brechung: Das Licht beim Durchqueren einer Oberflä che ablenken 68
Die Verlangsamung des Lichts: Der Brechungsindex 68
Die Ablenkung berechnen: Das Snelliussche Gesetz 68
Das Licht kommt wieder zurü ck: Die Totalreflexion 70
Dispersion: Den Brechungsindex ä ndern 71
Doppelbrechung: Zwei Brechungsindizes bei derselben Wellenlä nge 72
Beugung: Licht um ein Hindernis herum biegen 72
Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 75
Kapitel 5 Mit zahlreichen Lichtstrahlen Bilder erzeugen 77
Die einfachste Methode: Mithilfe von Schatten Bilder erzeugen 78
Ohne Linsen Bilder erzeugen: Die Lochkamera 80
Einen Blick auf die Grö ß en der Bildbeschreibung werfen 81
Die Art des erzeugten Bildes: Reell oder virtuell 81
Die Ausrichtung des Bildes relativ zum Gegenstand 81
Die Grö ß e eines Bildes relativ zum Gegenstand 81
Fokussieren Sie das Ziel: Brennpunkt und Brennweite 82
Den Brennpunkt und die Brennweite bestimmen 83
Unterscheidung von reellen und den virtuellen Brennpunkten 83
Kapitel 6 Zurü ckgeworfene Strahlen: Die Erzeugung von Bildern durch Spiegel 87
Ebene Spiegel machen alles einfach 87
Mit konkaven und konvexen Spiegeln die Form ä ndern 88
Die Spiegelgleichung und die Vorzeichen-Vereinbarungen 89
Mit Hohlspiegeln arbeiten 90
Konvexe Spiegel erkunden 92
Kapitel 7 Viele Strahlen zur selben Zeit brechen: Die Erzeugung von Bildern durch Brechung 95
Bestimmung der Lage der Bilder, die durch eine brechende Oberflä che erzeugt werden 95
Den Ort des Bildes berechnen 96
Lö sung von Aufgaben mit einer brechenden Oberflä che 98
Mit mehr als einer brechenden Oberflä che rechnen 100
Linsen: Zwei benachbarte brechende Oberflä chen 103
Design einer Linse 103
Konvexe und konkave Linsen nä her betrachten 105
Bilder und Eigenschaften von Linsenkombinationen 106
Nein! Schon wieder Verschwommen: Bildfehler 109
Teil III Ausnutzen Des Wellencharakters: Die Wellenoptik 111
Kapitel 8 Optische Polarisation: Das oszillierende elektrische Feld des Lichts 113
Beschreibung der optischen Polarisation 113
Die Ausrichtung des elektrischen Feldes 114
Polarisation: Die Ebene des elektrischen Feldes betrachten 115
Die verschiedenen Arten der Polarisation 115
Linear, zirkular oder elliptisch: Folgen Sie dem Weg des Vektors 116
Polarisiertes Licht erzeugen 123
Selektive Absorption: Bitte in einer Reihe anstellen! 123
Streuung an kleinen Teilchen 124
Reflexion: Ausrichtung parallel zur Oberflä che 125
Doppelbrechung: Aufspalten in Zwei 126
Kapitel 9 Ä nderung der optischen Polarisation 129
Verfahren zur Ä nderung des Polarisationszustands 129
Dichroitische Filter: Ä nderung der Achsen mithilfe von linearen Polarisatoren 129
Doppelbrechende Materialien: Den Polarisationszustand ä ndern oder drehen 133
Rotierendes Licht durch optisch aktive Materialien 136
Jones-Vektoren: Die Ä nderung der Polarisation berechnen 137
Den Polarisationszustand anhand von Jones-Vektoren darstellen 137
Jones-Matrizen und Bauelemente zur Ä nderung der Polarisation 139
Matrizen-Multiplikation: Der Einfluss von Bauelementen auf das einfallende Licht 140
Kapitel 10 Berechnung des reflektierten und transmittierten Lichts mithilfe der Fresnelschen Formeln 145
Der Anteil an reflektiertem und transmittiertem Licht 145
Transversale Moden: Beschreibung der Richtung von Feldern 145
Definition von Reflektions- und Transmissionskoeffizient 147
Verwendung leistungsstä rkerer Grö ß en: Reflexionsvermö gen und Transmissionsvermö gen 147
Die Fresnelschen Formeln: Die Menge an reflektiertem und transmittiertem Licht 148
Besondere Situationen bei der Reflexion 150
Unter dem Brewster-Winkel auftreffen 151
Reflexionsvermö gen bei senkrechtem Einfall: Bei 0° hereinkommen 151
Reflexionsvermö gen bei streifendem Einfall: Bei 90° auftreffen 151
Interne Reflexion und Totalreflexion 152
Verhinderte Totalreflexion: Die abklingende Welle betrachten 152
Kapitel 11 Fortwä hrende optische Ü berlagerungen: Nicht immer eine schlechte Sache 155
Die optische Interferenz 155
Die verschiedenen Streifen betrachten: konstruktive und destruktive Interferenz 156
Drei Bedingungen zur Erzeugung von Interferenz 156
Praktische Anwendungen der Interferenz: Interferometer 158
Wellenfrontteilende Interferometer 158
Amplitudenteilende Interferometer 163
Weitere Aufbauten zur Aufteilung von Amplituden 166
Interferenz dü nner Schichten 166
Die Newtonschen Ringe 168
Fabry-Perot-Interferometer 169
Kapitel 12 Beugung: Das Licht um Hindernisse herum biegen 171
Von Nah nach Fern: Zwei Arten der Beugung 171
Die Arten der Beugung 172
Bestimmung der Art der Beugung 172
In groß er Entfernung: Die Fraunhofer-Beugung an verschieden Blenden 173
Fraunhofer-Beugung an einer kreisfö rmigen Blende 174
Fraunhofer-Beugung am Spalt 176
In der Nä he: Fresnel-Beugung an verschiedenen Blenden 181
Fresnel-Beugung an einer rechteckigen Blende 181
Fresnel-Beugung an einer kreisfö rmigen Blende 182
Fresnel-Beugung an einer festen Scheibe 183
Beugung an einer Fresnel-Zonenplatte 183
Teil IV Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 187
Kapitel 13 Linsensysteme: Gegenstä nde betrachten, wie man sie sehen will 189
Das wichtigste optische System: Das menschliche Auge 189
Den Aufbau des menschlichen Auges 189
Akkommodation: Mit Muskelspielen den Brennpunkt ä ndern 191
Die Verwendung von Linsensystemen zur Korrektur von Fehlsichtigkeit 192
Korrigierende Linsen: Die Linsenform und die Brechkraft 193
Korrektur von Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit und Astigmatismus 194
Unterstü tzung des menschlichen Auges durch Linsensysteme 198
Vergrö ß erungsglas: Bilder mit einer Lupe vergrö ß ern 198
Kleine Gegenstä nde mit einem Mikroskop betrachten 199
Mit einem einfachen Fernrohr die Entfernung ü berbrü cken 201
Auf den groß en Schirm werfen: Der optische Projektor 202
Kapitel 14 Lichtquellen erforschen: Licht bekommen, wo man mö chte 203
Gewö hnliche elektrische Lichtquelle 203
Wichtige elektrische Lichtquellen und ihre Wirkungsweise 204
Die Leistung von Glü hbirnen und Leuchtstofflampen 206
Effizienteres Licht: Leuchtdioden 207
Das Innenleben einer Leuchtdiode 208
Mit organischen Leuchtdioden farbiges Licht erhalten 209
Leuchtdioden im Display: Laserdioden 210
Den Laser von Grund auf betrachten 211
Bau eines einfachen Lasersystems 212
Vergleich zwischen Lasern und elektrischen Lichtquellen 217
Kapitel 15 Das Licht von hier nach dort leiten 219
Licht in den Lichtwellenleiter leiten und es dort halten: Totalreflexion 219
Die numerische Apertur bestimmen: Wie viel Licht kann man hineinpacken? 219
Moden von Lichtwellenleitern 221
Verschiedene Arten von Lichtwellenleitern 222
Glasfaserkabel 222
Rechteckige Wellenleiter 226
Lichtwellenleiter bei der Arbeit: Verschiedene Anwendungen 226
Hohlleiter 226
Fernmeldeverbindungen 227
Bildü bertragung durch Glasfaserbü ndel 229
Teil V Komplexe Optische Systeme 231
Kapitel 16 Photographie: Bilder fü r die Ewigkeit 233
Schnappschuss von den Bestandteilen einer Kamera 233
Linsen: Sie bestimmen, was man sieht 234
Blenden: Mit Blendenzahlen und Lichtstä rken arbeiten 238
Verschlussklappe: Gerade genug Licht durchlassen 239
Speichermedien: Bilder fü r immer festhalten 240
Holographie: Auf einer ebenen Oberflä che Tiefe sehen 241
Das Sehen in drei Dimensionen 241
Zwei verschiedene Arten von Hologrammen 242
Der Zusammenhang zwischen Hologramm und Beugungsgitter 244
In die Tiefe gehen: 3D-Filme 246
Zirkulare Polarisation 247
Das sechsfarbige Anaglyphenverfahren 247
Shutterbrillen 248
Kapitel 17 Bildgebende Verfahren in der Medizin: Man braucht kein Skalpell 249
Licht in den Kö rper schicken und sehen, was dabei heraus kommt 249
Rö ntgenstrahlen 250
Optische Kohä renztomographie 252
Endoskope 253
Interpretation des Licht, das Ihren Kö rper verlä sst 256
Computertomographie 256
Positronen-Emissions-Tomographie 257
Kernspinresonanzspektroskopie 259
Magnetresonanztomographie 260
Kapitel 18 Optik ü berall: Weitere medizinische, industrielle und militä rische Anwendungen 263
Medizinische Verfahren betrachten, die mit Lasern arbeiten 263
Das Entfernen von unerwü nschtem Material: Gewebeabtrag 264
Lö cher und Schnitte abdichten 267
Rein kosmetisch: Weg mit Tä towierungen, Krampfadern und unerwü nschten Haaren 268
In die Industrie gehen: Mit der Optik Produkte herstellen und ü berprü fen 269
Die Qualitä tskontrolle 269
Lö cher bohren und Materialien ä tzen 270
Das Leben vereinfachen: Kommerzielle Anwendungen 270
Anwendungen der Optik in der Verteidigung und in Sicherheitssystemen 271
Entfernungsmesser 271
Nachtsichtgerä te 272
Wä rmebildkameras 272
Bildbearbeitung 273
Kapitel 19 Ins Weltall schauen: Teleskope 275
Der Aufbau von Fernrohren und Teleskopen 275
Das Licht sammeln 276
Das Bild mit einem Okular betrachten 277
Linsenfernrohre 278
Das Galilei-Fernrohr 279
Das Kepler-Fernrohr 280
Spiegelteleskope 281
Das Newton-Teleskop 281
Das Cassegrain-Teleskop 282
Das Gregory-Teleskop 282
Spiegel und Linsen kombinieren 284
Das Schmidt-Teleskop 284
Das Maksutov-Teleskop 285
Astronomie: Das Unsichtbare jenseits des Sichtbaren betrachten 285
Wenn ein Teleskop allein nicht ausreicht 286
Teil VI Mehr Als Nur Bilder: Moderne Optik 287
Kapitel 20 Der Brechungsindex, Teil 2: Man kann ihn verä ndern! 289
Elektrooptik: Beeinflussung des Brechungsindexes mithilfe von elektrischen Feldern 289
Dielektrische Polarisation: Die Ursache des elektrooptischen Effekts verstehen 290
Linear und quadratisch: Arten des elektrooptischen Effekts 291
Bauelemente, die auf dem elektrooptischen Effekt beruhen 294
Akustooptik: Die Dichte des Kristalls mit Schall verä ndern 296
Der akustooptische Effekt: Ein optisches Gitter erzeugen 296
Verwendung akustooptischer Bauelemente 297
Frequenzwandlung: Die Frequenz des Lichts mit Licht beeinflussen 298
Frequenzverdopplung: Second Harmonic Generation 299
Optisch parametrischer Oszillator: Pumpstrahlen in Signalstrahlen verwandeln 299
Summen- und Differenzfrequenz: Erzeugung von langen und kurzen Wellenlä ngen 300
Kapitel 21 Quantenoptik: Wo befindet sich das Photon? 301
Wellen- und Teilcheneigenschaften miteinander verweben 301
Die Wellen- und Teilcheneigenschaften des Lichts betrachten 302
Auch Teilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter 303
Der experimentelle Beweis: Die Doppelnatur von Licht und Materie beobachten 305
Den Youngschen Doppelspaltversuch erneut aufgreifen 305
Beugung von Licht und Materie 306
Das Mach-Zehnder-Interferometer 306
Quantenverschrä nkung: Photonen verschrä nken 307
Eine spukhafte Fernwirkung: Verschrä nkte Photonen 307
Quantenkryptographie und Quantencomputer: Anwendungen mit verschrä nkten Photonen 308
Der Top-Ten-Teil 309
Kapitel 22 Zehn optische Experimente, die man mit einfachen Mitteln durchfü hren kann 311
Demonstration der Dispersion mithilfe eines Wassersprü hers 311
Ein einfaches Vergrö ß erungselement 311
Mikroskopie mithilfe einer Murmel 312
Messung der Brennweite einer Lupe 312
Ein Teleskop aus Vergrö ß erungsglä sern 313
Dü nnschichtinterferenz mit Seifenblasen 313
Polarisationsbrillen und der Himmel 314
Luftspiegelungen an einem klaren Tag 314
Der Ö ffnungsfehler eines Vergrö ß erungsglases 315
Der Farbfehler eines Vergrö ß erungsglases 315
Kapitel 23 Zehn bedeutende optische Entdeckungen - und die Leute, die sie verwirklichten 317
Das Teleskop (1610) 317
Die physikalische Optik (spä tes 17. Jahrhundert) 317
Beugung und die Wellenoptik (spä tes 17. Jahrhundert) 318
Der Doppelspaltversuch (frü hes 19. Jahrhundert) 318
Die Polarisation (frü hes 19. Jahrhundert) 319
Die Rayleigh-Streuung (spä tes 19. Jahrhundert) 319
Elektromagnetismus (1861) 319
Elektrooptik (1875 und 1893) 320
Die Photonentheorie des Lichts (1905) 320
Maser (1953) und Laser (1960) 321
Stichwortverzeichnis 323
