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Erschienen in:
2015 | OriginalPaper | Buchkapitel
17. Optik
verfasst von : Matthias Bartelmann, Dieter Lüst, Andreas Wipf, Anton Rebhan, Björn Feuerbacher, Timm Krüger
Erschienen in: Theoretische Physik
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
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Kapitelvorwort
Was passiert mit Lichtstrahlen an der Grenzfläche zweier Medien?
Wie kann die Ausbreitung von Lichtstrahlen in inhomogenen Medien beschrieben werden?
Welchen Einfluss haben die Welleneigenschaften des Lichtes auf seine Ausbreitung?
Die Optik beschäftigt sich speziell mit der Ausbreitung von Licht (die meisten ihrer Ergebnisse sind aber auch auf andere elektromagnetische Wellen übertragbar). In vielen Fällen genügt es dabei, davon auszugehen, dass Licht sich in Strahlen ausbreitet; der Wellencharakter des Lichtes kann vernachlässigt werden.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die charakteristischen Längen des betrachteten Problems (beispielsweise Durchmesser einer Blende oder Dicke einer Linse) sehr groß gegenüber der Wellenlänge des Lichtes sind: Dann sind typische Welleneffekte wie Beugung, Interferenz und Polarisation vernachlässigbar (Abschn. 17.1). Die Funktionsweise von typischen optischen Geräten wie beispielsweise Teleskopen und Mikroskopen kann deshalb im Rahmen des Brechungs‐ und des Reflexionsgesetzes, die wir in Abschn. 17.2 besprechen werden, großenteils verstanden werden.
Diese Gesetze können rein mit der geometrischen Optik begründet werden, auch wenn sie letztlich auf dem Verhalten von Wellen beruhen, wie hier gezeigt werden wird. Auch Brechungserscheinungen in der Atmosphäre, die beispielsweise zu Luftspiegelungen und zur sogenannten astronomischen Refraktion führen, können rein im Rahmen der geometrischen Optik diskutiert werden – aber auch hier existiert ein enger Zusammenhang zur Wellenoptik, die sogenannte Eikonalgleichung (Abschn. 17.13).
Sind die betrachteten Längenskalen dagegen vergleichbar mit der Lichtwellenlänge oder ist man an typischen Welleneigenschaften wie der Polarisation interessiert, so muss man zur Berechnung die Wellenoptik benutzen. Dies ist beispielsweise bei der Brechung und Reflexion wichtig, wenn man genau daran interessiert ist, welcher Anteil des Lichtes gebrochen bzw. reflektiert wird – dies hängt von der Polarisation des Lichtes ab. Für die Behandlung von Beugungserscheinungen, die beispielsweise das Auflösungsvermögen von Mikroskopen begrenzen, wird schließlich der Wellencharakter des Lichtes essenziell (17.4).