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Einführung in die Optik

	Einführung in die Optik

Als Optik bezeichnet man die Lehre vom Licht, wobei uns in diesem Praktikum insbesondere derjenige Teil des elektromagnetischen Spektrums interessiert, der mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Die Wellenlänge $\lambda$ , die Frequenz $\nu$ und die Ausbreitungsgeschwindigkeit c elektromagnetischer Wellen (Lichtgeschwindigkeit) hängen über die folgende Beziehung zusammen:

$c = \lambda \nu \\ \;$

Die Lichtgeschwindigkeit c hat im Vakuum einen Wert von etwa $c = 3 \cdot 10^{8} ms^{-1} \\$ .

Das elektromagnetische Spektrum

Die Einordnung der optischen Erscheinungen in das Gesamtbild der elektromagnetischen Wellen soll das folgende Spektrum veranschaulichen:

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Die Optik wird nach Entstehung des Lichtes und nach Beschreibung seiner Ausbreitung sowie nach den verschiedenen Nachweismethoden in drei Gebiete gegliedert:

Geometrische Optik - Klassische Optik I

Sie beschreibt die Lichtausbreitung durch geradlinige Strahlen. Grundlegende Erscheinungen sind hierbei Reflexion und Brechung. Die zugehörigen Gesetze sind die Grundlage der optischen Abbildung, insbesondere die Linsengleichung. Sie sind die Grundlage zur Berechnung und Entwicklung der meisten optische Geräte. Alle auf Dispersion beruhenden Erscheinungen können in Rahmen der geometrischen Optik beschrieben werden, ohne dabei jedoch die Dispersion selbst zu erklären. Weiterhin werden die bei der Realisierung optisch abbildender Systeme auftretende Fehler untersucht, wo allerdings häufig wellenoptische Einflüsse berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise legt bei hochauflösenden optischen Geräten die Erscheinung der Beugung die Auflösungsgrenze fest.

Wellenoptik - Klassische Optik II

Sie erklärt die Phänomene von Beugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes aufgrund seiner Betrachtung als Welle, sowie alle mit diesen Begriffen zusammenhängenden Erscheinungen. Hilfreich hierbei ist die Anwendung des Huygens – Fresnel'schen Prinzips.

Quantenoptik

Sie behandelt die Entstehung des Lichtes, seine Ausbreitung und seine Wechselwirkung mit Materie. Dabei wird der Begriff des Lichtes als Teilchenstrom bestehend aus Quanten (= Photonen) zur Beschreibung der Erscheinungen verwendet. Notwendig wurde diese Art der Beschreibung des Lichtes unter anderem zum Verständnis des Photoeffekts.

Welle-Teilchen Dualismus

Eine Welle ist vollständig durch die Angabe von zwei Größen beschrieben, diese sind die Wellenlänge $\lambda$ und die Frequenz $\nu$ . Ein Teilchen ist ebenfalls vollständig durch die Angabe von zwei Größen charakterisiert, Energie E und Impuls $\vec{p}$ . Es lassen sich beim Übergang von der Wellen- zur Quantenoptik und umgekehrt einerseits die Größen $\nu$ und E, andererseits die Größen $\lambda$ und $\vec{p}$ ineinander überführen. Welche theoretische Betrachtungsweise des Lichtes zur Erklärung der beobachteten Phänomene herangezogen werden muss, hängt allein von der Art des Nachweises ab!