Teilgebiete der Optik

Nota:

• Licht kann auf Grund seiner Eigenschaften als Welle oder als Strom energiegeladener Teilchen (Quanten bzw. Photonen) beschrieben werden (= Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes)

1. Eigenschaften des Lichtes
   1. Teilchen Modell
      1. Geometrische Optik

         Nota:

         • Paraxiale bzw. Gaußsche Optik: Beschränkung der geometrischen Optik auf den Gaußschen Raum bzw. geringe Einfallswinkel, weil sich für diese Sonderfälle einfache mathematische Gleichungen (Abbildungsgleichungen) gelten
         • Strahlenmodell zur vereinfachten Darstellung des Lichtweges bei der Abbildung von Objekten durch optische Systeme
         1. Korpuskulartheorie nach Newton

            Nota:

            • I. Newton:  Licht besteht aus kleinsten Teilchen (Korpuskeln), die von einer Lichtquelle ausgeschleudert werden und sich geradlinig ausbreiten–Undurchsichtige Körper werfen scharfe Schatten–Beugung ensteht durch Ablenkungskräfte am Rand optischer Elemente–Brechung entsteht durch stärkere Anziehungskraft des brechenden Mediums
            • Die Korpusklulartheorie von Newton wurde später z.T. durch die Quantentheorie von Max Planck bestätigt
            • Isaac Newton (1643-1727)
   2. Wellen Modell
      1. Wellenoptik

         Nota:

         • Befasst sich mit optischen Erscheinungen, die sich nur durch den Wellencharakter des Lichtes erklären lassen (Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polarisation)
         1. Wellentheorie nach Hyugens

            Nota:

            • Beobachtung der Ausbreitung von Wellen an der Wasseroberfläche (Brechung, Reflexion)
            • Hyugenssches Prinzip:  Ausbreitung des Lichtes in Wellenfronten. Von jedem Punkt einer Wellenfront gehen Elementarwellen aus, deren Einhüllende jeweils eine neue Wellenfront ergibt
            • Zunächst hatte sich die Korpuskulartheorie von Newton durchgesetzt (Newton war angesehener als Huygens). Erst im 19. Jhd. wurde die Wellentheorie durch Ernest Young, Joseph von Fraunhofer und Augustin Fresnel weiterentwickelt
            • Erklärung für Interferenz und Polarisation wurde möglich
            • Christian Huygens (1629-1695)
            1. Huygens: Ausbreitung des Lichtes in Wellenfronten

               Nota:

               • •Lichtes breitet sich in kugelförmigen Wellen im Raum aus •Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer kugelförmigen Elementarwelle betrachtet werden. Durch Überlagerung der Elementarwellen entstehen neue Wellenfronten •Alle auf einer Wellenfront liegenden Punkte schwingen in Phase (haben die gleiche Laufzeit von ihrem Ursprungsort). •Wellenfronten haben zueinander einen Abstand von je einer Wellenlänge
               • Bei einer weiten Enfernung von der Quelle werden die Kugelwellen zu geraden Wellenfronten. Zusätzlich sind hier die Elementarwellen dargestellt, die von jedem Punkt einer Wellenfront ausgehen
               • – Energiegeladene Teilchen werden in Schwingungen versetzt – Die Ausbreitung des Lichtes erfolgt im Raum
         2. Elektromagnetische Theorie nach Maxwell

            Nota:

            • Ableitung der Gleichung zur Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen (Maxwellsche Gleichung)
            • Übereinstimmung des Ergebnis mit dem experimentell von H. E. A. Fizeau ermittelten A.-geschwindigkeit für Licht ließ den Schluss „Licht ist elektromagnetische Welle“ zu
            • Heinrich Hertz (1857-1894) gelang die experimentelle Bestätigung durch Herstellung von elektromagnetischen Wellen auf elektrischem Wege
            • James Clerk Maxwell (1831-1879)
   3. Welle- Teilchen - Dualismus des Lichtes
      1. Quantenoptik

         Nota:

         • Befasst sich mit optischen Erscheinungen, die nicht die nur aus den Teilcheneigenschaften des Lichtes erklärt werden können (z.B. Photoeffekt, Laser)
         1. Lichtquantenhypothese nach Einstein

            Nota:

            • Die Energie der Lichtwelle ist nicht kontinuierlich im Raum verteilt sondern in Lichtquanten (bzw. Photonen) gebündelt – Damit gelang eine Begründung des Photoeffektes • Bsp. Photodiode: Licht wird in elektrischen Strom umgewandelt
            • Die Lichtquantentheorie kann jedoch weder die Ausbreitung, noch die Beugung, Interferenz oder Polarisation erklären • Erst die später entwickelte Theorie der Quantenmechanik lässt den Welle-Teilchen- Dualismus zu
            • Albert Einstein 1879-1955