Optik für Dummies

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.

Autorentext
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.

Inhalt

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

Am…