Optik für Dummies

Galen Duree arbeitete während seiner Promotion mit Lasern. Heute ist er Dozent für Optik und arbeitet gerne und häufig an Projekten in der freien Wirtschaft.

• Einleitung 23Über dieses Buch 23Vereinbarungen in diesem Buch 24Was Sie nicht lesen müssen 25Einige törichte Annahmen 25Der Aufbau dieses Buches 25Teil I: Es geht los: Die Grundlagen der Optik 26Teil II: Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 26Teil III: Ausnutzen des Wellencharakters: Die Wellenoptik 26Teil IV: Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 26Teil V: Es wird komplexer: Optische Hybridsysteme 26Teil VI: Mehr als nur Bilder: Moderne Optik 26Teil VII: Der Top-Ten-Teil 27Symbole in diesem Buch 27Wie es weitergeht 27Teil I Es geht los: Die Grundlagen der Optik 29Kapitel 1 Die Wissenschaft des Lichts: Einführung in die Optik 31Die Eigenschaften des Lichts 31Erzeugung von Bildern mit Hilfe der Teilcheneigenschaften des Lichts 32Sich die Welleneigenschaften zunutze machen: Interferenz und Beugung 32Die Optik zu Ihrem Vorteil verwenden: Grundlegende Anwendungen 33Ihr Verständnis der Optik erweitern 33Komplizierte Anwendungen 34Anwendungen der modernen Optik 34Sie ebneten den Weg: Beiträge zur Optik 35Kapitel 2 Auffrischung der für die Optik wichtigen Mathematikund Physik-Kenntnisse 37Physikalische Messungen durchführen 37Ihre Mathematik-Kenntnisse auffrischen 38Mit Variablen jonglieren 38Bestimmung von Längen und Winkeln mithilfe der Trigonometrie 40Das Unbekannte anhand der Algebra erforschen 43Wiederholung der Wellenphysik 47Die Wellenfunktion: Ihre Merkmale und die Variablen 47Das Medium ist wichtig: Mechanische Wellen 49Verwendung von Wellenfronten in der Optik 50Kapitel 3 Eine kleine Studie des Lichts: Die Grundlagen 51Entwicklung erster Ideen von der Natur des Lichts 51Über die Teilchentheorie des Lichts nachdenken 51Durch die Wellentheorie des Lichts spazieren 52Lichtwellen näher betrachten 53Wenn Licht eine Welle ist, was schwingt? Die elektromagnetische Strahlung verstehen 53Mit Wellenlängen und Frequenzen rechnen: Das elektromagnetische Spektrum 55Die Intensität und die Leistung des Lichts 56Einsteins revolutionäre Vorstellung von Licht: Quanten 57Der photoelektrische Effekt und die Probleme mit der Wellentheorie 57Verschmelzen von Teilchen- und Welleneigenschaften: Das Photon 58Es werde Licht: Drei Prozesse zur Erzeugung von Licht 59Atomübergänge 59Beschleunigte geladene Teilchen 60Materie-Antimaterie-Kollision 61Die drei Gebiete der Optik 61Geometrische Optik: Licht als Strahlen betrachten 61Physikalische Optik: Die Welleneigenschaften des Lichts erforschen 61Quantenoptik: Eine kleine Anzahl von Photonen untersuchen 62Kapitel 4 Die Richtung des Lichts festlegen 63Reflexion: Wenn Licht auf Oberflächen prallt 63Die Richtung des Lichts bestimmen 64Die Rolle der Oberflächen bei der spiegelnden und der diffusen Reflexion 65Der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung 66Brechung: Das Licht beim Durchqueren einer Oberfläche ablenken 68Die Verlangsamung des Lichts: Der Brechungsindex 68Die Ablenkung berechnen: Das Snelliussche Gesetz 68Das Licht kommt wieder zurück: Die Totalreflexion 70Dispersion: Den Brechungsindex ändern 71Doppelbrechung: Zwei Brechungsindizes bei derselben Wellenlänge 72Beugung: Licht um ein Hindernis herum biegen 72 Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 75Kapitel 5 Mit zahlreichen Lichtstrahlen Bilder erzeugen 77Die einfachste Methode: Mithilfe von Schatten Bilder erzeugen 78Ohne Linsen Bilder erzeugen: Die Lochkamera 80Einen Blick auf die Größen der Bildbeschreibung werfen 81Die Art des erzeugten Bildes: Reell oder virtuell 81Die Ausrichtung des Bildes relativ zum Gegenstand 81Die Größe eines Bildes relativ zum Gegenstand 81Fokussieren Sie das Ziel: Brennpunkt und Brennweite 82Den Brennpunkt und die Brennweite bestimmen 83Unterscheidung von reellen und den virtuellen Brennpunkten 83Kapitel 6 Zurückgeworfene Strahlen: Die Erzeugung von Bildern durch Spiegel 87Ebene Spiegel machen alles einfach 87Mit konkaven und konvexen Spiegeln die Form ändern 88Die Spiegelgleichung und die Vorzeichen-Vereinbarungen 89Mit Hohlspiegeln arbeiten 90Konvexe Spiegel erkunden 92Kapitel 7 Viele Strahlen zur selben Zeit brechen: Die Erzeugung von Bildern durch Brechung 95Bestimmung der Lage der Bilder, die durch eine brechende Oberfläche erzeugt werden 95Den Ort des Bildes berechnen 96Lösung von Aufgaben mit einer brechenden Oberfläche 98Mit mehr als einer brechenden Oberfläche rechnen 100Linsen: Zwei benachbarte brechende Oberflächen 103Design einer Linse 103Konvexe und konkave Linsen näher betrachten 105Bilder und Eigenschaften von Linsenkombinationen 106Nein! Schon wieder Verschwommen: Bildfehler 109Teil III Ausnutzen Des Wellencharakters: Die Wellenoptik 111Kapitel 8 Optische Polarisation: Das oszillierende elektrische Feld des Lichts 113Beschreibung der optischen Polarisation 113Die Ausrichtung des elektrischen Feldes 114Polarisation: Die Ebene des elektrischen Feldes betrachten 115Die verschiedenen Arten der Polarisation 115Linear, zirkular oder elliptisch: Folgen Sie dem Weg des Vektors 116Polarisiertes Licht erzeugen 123Selektive Absorption: Bitte in einer Reihe anstellen! 123Streuung an kleinen Teilchen 124Reflexion: Ausrichtung parallel zur Oberfläche 125Doppelbrechung: Aufspalten in Zwei 126Kapitel 9 Änderung der optischen Polarisation 129Verfahren zur Änderung des Polarisationszustands 129Dichroitische Filter: Änderung der Achsen mithilfe von linearen Polarisatoren 129Doppelbrechende Materialien: Den Polarisationszustand ändern oder drehen 133Rotierendes Licht durch optisch aktive Materialien 136Jones-Vektoren: Die Änderung der Polarisation berechnen 137Den Polarisationszustand anhand von Jones-Vektoren darstellen 137Jones-Matrizen und Bauelemente zur Änderung der Polarisation 139Matrizen-Multiplikation: Der Einfluss von Bauelementen auf das einfallende Licht 140Kapitel 10 Berechnung des reflektierten und transmittierten Lichts mithilfe der Fresnelschen Formeln 145Der Anteil an reflektiertem und transmittiertem Licht 145Transversale Moden: Beschreibung der Richtung von Feldern 145Definition von Reflektions- und Transmissionskoeffizient 147Verwendung leistungsstärkerer Größen: Reflexionsvermögen und Transmissionsvermögen 147Die Fresnelschen Formeln: Die Menge an reflektiertem und transmittiertem Licht 148Besondere Situationen bei der Reflexion 150Unter dem Brewster-Winkel auftreffen 151Reflexionsvermögen bei senkrechtem Einfall: Bei 0° hereinkommen 151Reflexionsvermögen bei streifendem Einfall: Bei 90° auftreffen 151Interne Reflexion und Totalreflexion 152Verhinderte Totalreflexion: Die abklingende Welle betrachten 152Kapitel 11 Fortwährende optische Überlagerungen: Nicht immer eine schlechte Sache 155Die optische Interferenz 155Die verschiedenen Streifen betrachten: konstruktive und destruktive Interferenz 156Drei Bedingungen zur Erzeugung von Interferenz 156Praktische Anwendungen der Interferenz: Interferometer 158Wellenfrontteilende Interferometer 158Amplitudenteilende Interferometer 163Weitere Aufbauten zur Aufteilung von Amplituden 166Interferenz dünner Schichten 166Die Newtonschen Ringe 168Fabry–Perot-Interferometer 169Kapitel 12 Beugung: Das Licht um Hindernisse herum biegen 171Von Nah nach Fern: Zwei Arten der Beugung 171Die Arten der Beugung 172Bestimmung der Art der Beugung 172In großer Entfernung: Die Fraunhofer-Beugung an verschieden Blenden 173Fraunhofer-Beugung an einer kreisförmigen Blende 174Fraunhofer-Beugung am Spalt 176In der Nähe: Fresnel-Beugung an verschiedenen Blenden 181Fresnel-Beugung an einer rechteckigen Blende 181Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Blende 182Fresnel-Beugung an einer festen Scheibe 183Beugung an einer Fresnel-Zonenplatte 183Teil IV Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 187Kapitel 13 Linsensysteme: Gegenstände betrachten, wie man sie sehen will 189Das wichtigste optische System: Das menschliche Auge 189Den Aufbau des menschlichen Auges 189Akkommodation: Mit Muskelspielen den Brennpunkt ändern 191Die Verwendung von Linsensystemen zur Korrektur von Fehlsichtigkeit 192Korrigierende Linsen: Die Linsenform und die Brechkraft 193Korrektur von Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit und Astigmatismus 194Unterstützung des menschlichen Auges durch Linsensysteme 198Vergrößerungsglas: Bilder mit einer Lupe vergrößern 198Kleine Gegenstände mit einem Mikroskop betrachten 199Mit einem einfachen Fernrohr die Entfernung überbrücken 201Auf den großen Schirm werfen: Der optische Projektor 202Kapitel 14 Lichtquellen erforschen: Licht bekommen, wo man möchte 203Gewöhnliche elektrische Lichtquelle 203Wichtige elektrische Lichtquellen und ihre Wirkungsweise 204Die Leistung von Glühbirnen und Leuchtstofflampen 206Effizienteres Licht: Leuchtdioden 207Das Innenleben einer Leuchtdiode 208Mit organischen Leuchtdioden farbiges Licht erhalten 209Leuchtdioden im Display: Laserdioden 210Den Laser von Grund auf betrachten 211Bau eines einfachen Lasersystems 212Vergleich zwischen Lasern und elektrischen Lichtquellen 217Kapitel 15 Das Licht von hier nach dort leiten 219Licht in den Lichtwellenleiter leiten und es dort halten: Totalreflexion 219Die numerische Apertur bestimmen: Wie viel Licht kann man hineinpacken? 219Moden von Lichtwellenleitern 221Verschiedene Arten von Lichtwellenleitern 222Glasfaserkabel 222Rechteckige Wellenleiter 226Lichtwellenleiter bei der Arbeit: Verschiedene Anwendungen 226Hohlleiter 226Fernmeldeverbindungen 227Bildübertragung durch Glasfaserbündel 229Teil V Komplexe Optische Systeme 231Kapitel 16 Photographie: Bilder für die Ewigkeit 233Schnappschuss von den Bestandteilen einer Kamera 233Linsen: Sie bestimmen, was man sieht 234Blenden: Mit Blendenzahlen und Lichtstärken arbeiten 238Verschlussklappe: Gerade genug Licht durchlassen 239Speichermedien: Bilder für immer festhalten 240Holographie: Auf einer ebenen Oberfläche Tiefe sehen 241Das Sehen in drei Dimensionen 241Zwei verschiedene Arten von Hologrammen 242Der Zusammenhang zwischen Hologramm und Beugungsgitter 244In die Tiefe gehen: 3D-Filme 246Zirkulare Polarisation 247Das sechsfarbige Anaglyphenverfahren 247Shutterbrillen 248 Kapitel 17 Bildgebende Verfahren in der Medizin: Man braucht kein Skalpell 249Licht in den Körper schicken und sehen, was dabei heraus kommt 249Röntgenstrahlen 250Optische Kohärenztomographie 252Endoskope 253Interpretation des Licht, das Ihren Körper verlässt 256Computertomographie 256Positronen-Emissions-Tomographie 257Kernspinresonanzspektroskopie 259Magnetresonanztomographie 260Kapitel 18 Optik überall: Weitere medizinische, industrielle und militärische Anwendungen 263Medizinische Verfahren betrachten, die mit Lasern arbeiten 263Das Entfernen von unerwünschtem Material: Gewebeabtrag 264Löcher und Schnitte abdichten 267Rein kosmetisch: Weg mit Tätowierungen, Krampfadern und unerwünschten Haaren 268In die Industrie gehen: Mit der Optik Produkte herstellen und überprüfen 269Die Qualitätskontrolle 269Löcher bohren und Materialien ätzen 270Das Leben vereinfachen: Kommerzielle Anwendungen 270Anwendungen der Optik in der Verteidigung und in Sicherheitssystemen 271Entfernungsmesser 271Nachtsichtgeräte 272Wärmebildkameras 272Bildbearbeitung 273Kapitel 19 Ins Weltall schauen: Teleskope 275Der Aufbau von Fernrohren und Teleskopen 275Das Licht sammeln 276Das Bild mit einem Okular betrachten 277Linsenfernrohre 278Das Galilei-Fernrohr 279Das Kepler-Fernrohr 280Spiegelteleskope 281Das Newton-Teleskop 281Das Cassegrain-Teleskop 282Das Gregory-Teleskop 282Spiegel und Linsen kombinieren 284Das Schmidt-Teleskop 284Das Maksutov-Teleskop 285Astronomie: Das Unsichtbare jenseits des Sichtbaren betrachten 285Wenn ein Teleskop allein nicht ausreicht 286Teil VI Mehr Als Nur Bilder: Moderne Optik 287Kapitel 20 Der Brechungsindex, Teil 2: Man kann ihn verändern! 289Elektrooptik: Beeinflussung des Brechungsindexes mithilfe von elektrischen Feldern 289Dielektrische Polarisation: Die Ursache des elektrooptischen Effekts verstehen 290Linear und quadratisch: Arten des elektrooptischen Effekts 291Bauelemente, die auf dem elektrooptischen Effekt beruhen 294Akustooptik: Die Dichte des Kristalls mit Schall verändern 296Der akustooptische Effekt: Ein optisches Gitter erzeugen 296Verwendung akustooptischer Bauelemente 297Frequenzwandlung: Die Frequenz des Lichts mit Licht beeinflussen 298Frequenzverdopplung: Second Harmonic Generation 299Optisch parametrischer Oszillator: Pumpstrahlen in Signalstrahlen verwandeln 299Summen- und Differenzfrequenz: Erzeugung von langen und kurzen Wellenlängen 300Kapitel 21 Quantenoptik: Wo befindet sich das Photon? 301Wellen- und Teilcheneigenschaften miteinander verweben 301Die Wellen- und Teilcheneigenschaften des Lichts betrachten 302Auch Teilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter 303Der experimentelle Beweis: Die Doppelnatur von Licht und Materie beobachten 305Den Youngschen Doppelspaltversuch erneut aufgreifen 305Beugung von Licht und Materie 306Das Mach–Zehnder-Interferometer 306Quantenverschränkung: Photonen verschränken 307Eine spukhafte Fernwirkung: Verschränkte Photonen 307Quantenkryptographie und Quantencomputer: Anwendungen mit verschränkten Photonen 308 Der Top-Ten-Teil 309Kapitel 22 Zehn optische Experimente, die man mit einfachen Mitteln durchführen kann 311Demonstration der Dispersion mithilfe eines Wassersprühers 311Ein einfaches Vergrößerungselement 311Mikroskopie mithilfe einer Murmel 312Messung der Brennweite einer Lupe 312Ein Teleskop aus Vergrößerungsgläsern 313Dünnschichtinterferenz mit Seifenblasen 313Polarisationsbrillen und der Himmel 314Luftspiegelungen an einem klaren Tag 314Der Öffnungsfehler eines Vergrößerungsglases 315Der Farbfehler eines Vergrößerungsglases 315Kapitel 23 Zehn bedeutende optische Entdeckungen – und die Leute, die sie verwirklichten 317Das Teleskop (1610) 317Die physikalische Optik (spätes 17. Jahrhundert) 317Beugung und die Wellenoptik (spätes 17. Jahrhundert) 318Der Doppelspaltversuch (frühes 19. Jahrhundert) 318Die Polarisation (frühes 19. Jahrhundert) 319Die Rayleigh-Streuung (spätes 19. Jahrhundert) 319Elektromagnetismus (1861) 319Elektrooptik (1875 und 1893) 320Die Photonentheorie des Lichts (1905) 320Maser (1953) und Laser (1960) 321Stichwortverzeichnis 323