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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bietet einen kompakten und einfachen Einstieg in die Optik und unterstützt Studierende der Physik, Technik und anderer angewandter Fächer beim Lernen und Verstehen der Grundlagen und Anwendungen. Der Autor liefert einen anschaulichen Überblick über die essenziellen Teilgebiete der Optik und behandelt die grundlegenden Mechanismen und Prinzipien der Entstehung und Eigenschaften des Lichts, der Lichtausbreitung, Licht-Materie-Wechselwirkungen sowie der optischen Abbildung und Abbildungsfehler. Die Beschreibung von optischen Materialien, Komponenten sowie Laserquellen und Laserstrahlung rundet den Inhalt des Tutoriums ab.

Durch zahlreiche Verständnisfragen und Rechenaufgaben unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade dient das Tutorium als wertvolle Lernhilfe zur Vertiefung der im Studium und in der Ausbildung vermittelten Lehrinhalte. Die übersichtliche Zusammenfassung der zentralen Erkenntnisse in jedem Teilkapitel und eine Formelsammlung der jeweils wichtigsten mathematisch-physikalischen Zusammenhänge helfen zusätzlich beim Lernen und bei der Prüfungsvorbereitung. Darüber hinaus tragen Beispiele von Alltagsphänomenen, die sich auch in den Übungsaufgaben wiederfinden, zur Veranschaulichung von grundlegenden optischen Gesetzmäßigkeiten und Effekten bei.

Im Rahmen dieser überarbeiteten und aktualisierten 2. Auflage erhalten Leser des gedruckten Buches zusätzlich kostenlosen Zugang zu allen Verständnisfragen über die Springer Nature Flashcards-App. Mit Hilfe der digitalen Lernkarten samt ausführlichen Lösungen kann man jederzeit und überall das erlernte Wissen überprüfen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Eigenschaften des Lichts

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die grundlegenden Eigenschaften des Lichts behandelt. Dies umfasst die Lichtentstehung durch spontane Emission sowie die essentiellen Charakteristika von Licht wie die Photonenenergie, die natürliche Linienbreite sowie Polarisation und Kohärenz. Darüber hinaus wird auf den Welle-Teilchen-Dualismus, die elektromagnetische Wellennatur des Lichts, die Maxwell’schen Gleichungen und das Huygens’sche Prinzip eingegangen. Eine Übersicht über das Lichtspektrum und die darin vorliegenden Wellenlängenbereiche und Lichtfarben sowie über die Eigenschaften unterschiedlicher Lichtquellen wird gegeben. Abschließend wird auf relevante Licht-Materie-Wechselwirkungen, die Absorption von Licht sowie lineare und nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie eingegangen.
Christoph Gerhard

2. Grundbegriffe der Optik

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden essentielle Grundbegriffe der Optik vorgestellt und näher erläutert. Hierbei wird im Besonderen auf den Brechungsindex, die optische Weglänge und die Grundlagen der Brechung an optischen Grenzflächen eingegangen. Darüber hinaus werden der nichtlineare Brechungsindex und die Doppelbrechung behandelt. Des Weiteren erfolgt eine Erläuterung zur Dispersion und Absorption optischer Medien, wobei der komplexe Brechungsindex und der Transmissionsgrad näher betrachtet werden. Darüber hinaus wird das Phänomen der Reflexion an optischen Grenzflächen anhand der Fresnel’schen Formeln, des Brewster-Winkels und des Grenzwinkels der Totalreflexion behandelt. Im Anschluss an einen Überblick über Interferenzen von Lichtwellen und die Interferenzbedingungen wird auf die Beugung optischer Strahlung an Spalten und Hindernissen sowie auf optische Streumechanismen eingegangen.
Christoph Gerhard

3. Optische Materialien

Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen zu optischen Medien. Dabei wird besonders auf optische Gläser eingegangen. Neben den Bestandteilen und der Herstellung optischer Gläser wird deren Charakterisierung näher erläutert. Darüber hinaus werden optische Sondermaterialien wie Kristalle, Glaskeramiken, Gradientenindexmaterialien, Kunststoffe und optische Flüssigkeiten behandelt.
Christoph Gerhard

4. Optische Komponenten

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die wichtigsten optischen Komponenten vorgestellt und näher erläutert. Dies umfasst neben Planplatten, Umlenkprismen, Umkehrprismen und Dispersionsprismen auch Spiegel und unterschiedlichste Linsen. Zudem werden der Aufbau und die Funktionsweise optischer Schichten wie Reflexionsschichten, Antireflexschichten und Filterschichten behandelt. Weiterhin wird auf Beugungsgitter, Polarisatoren, Polarisationsfilter und Verzögerungsplatten sowie Strahlteiler eingegangen. Abschließend erfolgt eine Übersicht der Funktionsweise optischer Fasern zur Lichtübertragung wie Stufenindexfasern und Gradientenindexfasern.
Christoph Gerhard

5. Optische Abbildung und Abbildungsfehler

Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der optischen Abbildung und die Entstehung von Abbildungsfehlern. Dazu wird zunächst auf unterschiedliche Abbildungsmodelle und deren jeweilige Gültigkeit eingegangen. Des Weiteren erfolgt die Definition der Auflösungsgrenze abbildender optischer Systeme sowie der darin auftretenden konjugierten Größen. Neben der reellen und virtuellen Abbildung werden unterschiedliche Abbildungsfälle vorgestellt. Darüber hinaus wird auf die grundlegenden Abbildungsfehler sphärische und chromatische Aberration, Asymmetriefehler, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und Verzeichnung sowie deren Quantifizierung eingegangen. Anschließend werden sekundäre Störeinflüsse einer optischen Abbildung wie beispielsweise die Entstehung von Geisterbildern oder eine unzureichende Kontrastübertragung sowie die Darstellung von Abbildungsfehlern behandelt.
Christoph Gerhard

6. Optische Systeme und Geräte

Zusammenfassung
Dieses Kapitel bietet eine Übersicht über die wichtigsten optischen Systeme und Geräte. Hierbei wird eingangs auf den Aufbau des Auges eingegangen. Nachfolgend werden die Funktionsweisen von Lupen, Objektiven und Okularen, Endoskopen, Teleskopen und Mikroskopen behandelt. Darüber hinaus werden der Aufbau und die Funktionsprinzipien gängiger Interferometertypen und optischer Profilometer erläutert. Nach der Vorstellung unterschiedlicher Spektrometertypen erfolgt abschließend eine Übersicht über optische Schalter für Laserquellen.
Christoph Gerhard

7. Laserquellen und Laserlicht

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird eine Übersicht über Laserquellen sowie die Entstehung und die Eigenschaften von Laserlicht gegeben. Hierbei wird zunächst näher auf das Laserprinzip, die Besetzungsinversion und die stimulierte Lichtemission eingegangen. Es folgt die Darstellung des Aufbaus, der Bestandteile sowie der möglichen Betriebsarten und Typen von Lasern. Darüber hinaus werden die Laserschutzklassen vorgestellt. Neben den Eigenschaften von Laserlicht wird dessen Ausbreitung durch optische Komponenten behandelt. Abschließend wird auf einige ausgewählte Laseranwendungen wie laserbasierte Fertigung, Messtechnik sowie Datenspeicherung und -übertragung eingegangen.
Christoph Gerhard

Backmatter

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