Optik für Dummies

Produktbeschreibung

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

Über dieses Buch 23

Vereinbarungen in diesem Buch 24

Was Sie nicht lesen müssen 25

Einige törichte 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: Einführung 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 Verständnis der Optik erweitern 33

Komplizierte Anwendungen 34

Anwendungen der modernen Optik 34

Sie ebneten den Weg: Beiträge zur Optik 35

Kapitel 2 Auffrischung der für die Optik wichtigen Mathematikund
Physik-Kenntnisse 37

Physikalische Messungen durchführen 37

Ihre Mathematik-Kenntnisse auffrischen 38

Mit Variablen jonglieren 38

Bestimmung von Längen 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

Über die Teilchentheorie des Lichts nachdenken 51

Durch die Wellentheorie des Lichts spazieren 52

Lichtwellen näher betrachten 53

Wenn Licht eine Welle ist, was schwingt? Die elektromagnetische Strahlung
verstehen 53

Mit Wellenlängen und Frequenzen rechnen: Das elektromagnetische Spektrum 55

Die Intensität und die Leistung des Lichts 56

Einsteins revolutionäre 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

Atomübergänge 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 Oberflächen prallt 63

Die Richtung des Lichts bestimmen 64

Die Rolle der Oberflächen bei der spiegelnden und der diffusen Reflexion 65

Der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung 66

Brechung: Das Licht beim Durchqueren einer Oberfläche ablenken 68

Die Verlangsamung des Lichts: Der Brechungsindex 68

Die Ablenkung berechnen: Das Snelliussche Gesetz 68

Das Licht kommt wieder zurück: Die Totalreflexion 70

Dispersion: Den Brechungsindex ändern 71

Doppelbrechung: Zwei Brechungsindizes bei derselben Wellenlänge 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 Größen der Bildbeschreibung werfen 81

Die Art des erzeugten Bildes: Reell oder virtuell 81

Die Ausrichtung des Bildes relativ zum Gegenstand 81

Die Größe 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 Zurückgeworfene Strahlen: Die Erzeugung von Bildern durch Spiegel 87

Ebene Spiegel machen alles einfach 87

Mit konkaven und konvexen Spiegeln die Form ändern 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 Oberfläche erzeugt
werden 95

Den Ort des Bildes berechnen 96

Lösung von Aufgaben mit einer brechenden Oberfläche 98

Mit mehr als einer brechenden Oberfläche rechnen 100

Linsen: Zwei benachbarte brechende Oberflächen 103

Design einer Linse 103

Konvexe und konkave Linsen näher 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 Oberfläche 125

Doppelbrechung: Aufspalten in Zwei 126

Kapitel 9 Änderung der optischen Polarisation 129

Verfahren zur Änderung des Polarisationszustands 129

Dichroitische Filter: Änderung der Achsen mithilfe von linearen Polarisatoren
129

Doppelbrechende Materialien: Den Polarisationszustand ändern oder drehen 133

Rotierendes Licht durch optisch aktive Materialien 136

Jones-Vektoren: Die Änderung der Polarisation berechnen 137

Den Polarisationszustand anhand von Jones-Vektoren darstellen 137

Jones-Matrizen und Bauelemente zur Änderung 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 leistungsstärkerer Größen: Reflexionsvermögen und
Transmissionsvermögen 147

Die Fresnelschen Formeln: Die Menge an reflektiertem und transmittiertem Licht
148

Besondere Situationen bei der Reflexion 150

Unter dem Brewster-Winkel auftreffen 151

Reflexionsvermögen bei senkrechtem Einfall: Bei 0° hereinkommen 151

Reflexionsvermögen bei streifendem Einfall: Bei 90° auftreffen 151

Interne Reflexion und Totalreflexion 152

Verhinderte Totalreflexion: Die abklingende Welle betrachten 152

Kapitel 11 Fortwährende optische Überlagerungen: 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 dünner 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 großer Entfernung: Die Fraunhofer-Beugung an verschieden Blenden 173

Fraunhofer-Beugung an einer kreisförmigen Blende 174

Fraunhofer-Beugung am Spalt 176

In der Nähe: Fresnel-Beugung an verschiedenen Blenden 181

Fresnel-Beugung an einer rechteckigen Blende 181

Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen 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: Gegenstände 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 ändern 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

Unterstützung des menschlichen Auges durch Linsensysteme 198

Vergrößerungsglas: Bilder mit einer Lupe vergrößern 198

Kleine Gegenstände mit einem Mikroskop betrachten 199

Mit einem einfachen Fernrohr die Entfernung überbrücken 201

Auf den großen Schirm werfen: Der optische Projektor 202

Kapitel 14 Lichtquellen erforschen: Licht bekommen, wo man möchte 203

Gewöhnliche elektrische Lichtquelle 203

Wichtige elektrische Lichtquellen und ihre Wirkungsweise 204

Die Leistung von Glühbirnen 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

Bildübertragung durch Glasfaserbündel 229

Teil V Komplexe Optische Systeme 231

Kapitel 16 Photographie: Bilder für die Ewigkeit 233

Schnappschuss von den Bestandteilen einer Kamera 233

Linsen: Sie bestimmen, was man sieht 234

Blenden: Mit Blendenzahlen und Lichtstärken arbeiten 238

Verschlussklappe: Gerade genug Licht durchlassen 239

Speichermedien: Bilder für immer festhalten 240

Holographie: Auf einer ebenen Oberfläche 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 Körper schicken und sehen, was dabei heraus kommt 249

Röntgenstrahlen 250

Optische Kohärenztomographie 252

Endoskope 253

Interpretation des Licht, das Ihren Körper verlässt 256

Computertomographie 256

Positronen-Emissions-Tomographie 257

Kernspinresonanzspektroskopie 259

Magnetresonanztomographie 260

Kapitel 18 Optik überall: Weitere medizinische, industrielle und militärische
Anwendungen 263

Medizinische Verfahren betrachten, die mit Lasern arbeiten 263

Das Entfernen von unerwünschtem Material: Gewebeabtrag 264

Löcher und Schnitte abdichten 267

Rein kosmetisch: Weg mit Tätowierungen, Krampfadern und unerwünschten Haaren 268

In die Industrie gehen: Mit der Optik Produkte herstellen und überprüfen 269

Die Qualitätskontrolle 269

Löcher bohren und Materialien ätzen 270

Das Leben vereinfachen: Kommerzielle Anwendungen 270

Anwendungen der Optik in der Verteidigung und in Sicherheitssystemen 271

Entfernungsmesser 271

Nachtsichtgeräte 272

Wärmebildkameras 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 verändern! 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 verändern 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 Wellenlängen 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

Quantenverschränkung: Photonen verschränken 307

Eine spukhafte Fernwirkung: Verschränkte Photonen 307

Quantenkryptographie und Quantencomputer: Anwendungen mit verschränkten Photonen
308

Der Top-Ten-Teil 309

Kapitel 22 Zehn optische Experimente, die man mit einfachen Mitteln durchführen
kann 311

Demonstration der Dispersion mithilfe eines Wassersprühers 311

Ein einfaches Vergrößerungselement 311

Mikroskopie mithilfe einer Murmel 312

Messung der Brennweite einer Lupe 312

Ein Teleskop aus Vergrößerungsgläsern 313

Dünnschichtinterferenz mit Seifenblasen 313

Polarisationsbrillen und der Himmel 314

Luftspiegelungen an einem klaren Tag 314

Der Öffnungsfehler eines Vergrößerungsglases 315

Der Farbfehler eines Vergrößerungsglases 315

Kapitel 23 Zehn bedeutende optische Entdeckungen - und die Leute, die sie
verwirklichten 317

Das Teleskop (1610) 317

Die physikalische Optik (spätes 17. Jahrhundert) 317

Beugung und die Wellenoptik (spätes 17. Jahrhundert) 318

Der Doppelspaltversuch (frühes 19. Jahrhundert) 318

Die Polarisation (frühes 19. Jahrhundert) 319

Die Rayleigh-Streuung (spätes 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 

Autoreninfo

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.