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Optica

Dieser Artikel behandelt die Lichtoptik. Informationen zur Elektronen- und Ionenoptik finden Sie im Artikel Elektronenoptik.

Optik ist der Teilbereich der Physik die sich mit der Beschreibung und Erklärung des Verhaltens von Licht; das ist elektromagnetische Strahlung in und um den für das menschliche Auge sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, also mit Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und 700 nm. Es gibt 3 Modelle für die Beschreibung von Licht: scheinen (geometrische Optik), durchgehend Wellen (klassische physikalische Optik) und diskret Photonen (Quantenoptik).

Geometrische Optik

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Dies ist der älteste Teil der Optik und basiert auf dem Konzept Lichtstrahl, was nur sinnvoll ist, wenn die Wellenlänge des Lichts ist im Verhältnis zum Raum und den Hindernissen, in denen und entlang derer sich die elektromagnetische Strahlung ausbreitet, sehr gering. Geometrische Optik ist ein vereinfachtes Modell für den optischen Wellenlängenbereich der „strengen“ Beschreibung der Wellenausbreitung. Alle Arten von Phänomenen, wie z chromatische Abweichung, Brechung, Reflexion und das Intensitätsverhältnis zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl sind für die geometrische Optik wichtig, können aber nur durch die Beschreibung von Licht als Wellenphänomen erklärt werden Brechungsindex, Lichtstrahlen sind gekrümmt, in homogenen Medien sind sie gerade. Ein plötzlicher Richtungswechsel (Lichtbrechung und Reflexion) tritt an den Grenzflächen zwischen zwei Medien mit messbar unterschiedlichen Brechungsindizes auf. Die Richtungsänderung des gebrochenen Strahls gegenüber dem einfallenden Strahl wird durch die Snells Gesetz. Reine strahlbasierte optische Instrumente bestehen aus (Kombinationen von) Linsen, Spiegel und/oder Prismen um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erhalten. Der Zweck von geometrisch-optischen Instrumenten ist normalerweise Bild, wobei sich verschiedene Strahlen von einem Punkt im Objekt idealerweise alle an einem Punkt im Bild schneiden. Außerdem muss der Abstand zwischen Punkten im Bild normalerweise proportional zu entsprechenden Punkten des Objekts sein, um Verzerrungen zu vermeiden. EIN Zerrspiegel ist das bekannteste Beispiel für ein Instrument, bei dem Verzerrung beabsichtigt ist Linsen und Spiegel, wie Brennweite und Öffnung, werden durch die Formen der Grenzflächen zwischen optischen Medien und durch die Proportionen ihrer Brechungsindizes. Durch spezielle Linsenkombinationen, Aberrationen minimiert werden.

Verlaufsoptik

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Gradientenoptik ist das Teilgebiet der geometrischen Optik, in dem optische Medien mit ortsabhängigem Brechungsindex verwendet werden, d. h. in denen der Brechungsindex a . ist Gradient hast.

Physikalische Optik

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Der Teil der Optik, der Licht explizit als Wellenphänomen beschreibt, heißt physikalische Optikoptic oder Wellenoptik erwähnt. Nach dem Start 19. Jahrhundert durch Thomas Jung und Augustin Jean Fresnel es wurde gezeigt, dass Licht ein Wellenphänomen ist - im Gegensatz zu dem, was Isaac Newton behauptet hatte – es wurden Instrumente entwickelt, die Biegung verwenden (Beugung) und vonInterferenz; besonders es Bar und der Interferometer und der Spektrometer sind wichtig. Holographie in diesem Zusammenhang auch als späte Anwendung der Wellennatur des Lichts erwähnt werden, die erst durch die Erfindung einer kohärenten Lichtquelle möglich wurde, die Laser-. Das Glasfaser, heute von großer Bedeutung in der IKT, ist auch eine wichtige Anwendung der physikalischen Optik. Die Anwendung des altbekannten Prisma auch der physikalischen Optik zuzuordnen, da die damit erzeugte Farbzerstreuung nur mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden kann. Farbverschiebung ist auch mit a . möglich Bar weil Beugung ein wellenlängenabhängiges Phänomen ist. Die beschriebene Seite einer CD und einer DVD zeigt das gleiche Verhalten wie ein Reflexionsgitter, da die Bitmuster so eng beieinander geätzt sind.

Nichtlineare Optik

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Die nichtlineare Optik befasst sich mit Phänomenen, die bei so hohen Lichtintensitäten auftreten, dass sich das Ausbreitungsmedium nicht mehr linear verhält; es kann mit Lautsprechern verglichen werden, die einen verzerrten Klang abgeben, wenn der Verstärker zu laut eingeschaltet wird. Es Prinzip der Superposition für lineare Systeme gilt dann nicht mehr. Daher ist das Ausbreitungsmedium zu verstehen als nichtlineares System. Das charakteristischste Phänomen ist, dass es im Ausbreitungsmedium Frequenzen gibt (Obertöne), die im einfallenden Licht nicht auftreten.

Quantenoptik und Photonik

Nach der Entwicklung der Quantenmechanik kam die Erkenntnis, dass man Licht auch als Teilchenbündel auffassen kann (Photonen). Seitdem wurden Instrumente entwickelt, die auf der Wechselwirkung einzelner Photonen mit Materie und insbesondere mit Elektronen basieren. Das Quantenoptik und der Photonik sind die relevanten und eng verwandten Teilgebiete der Optik. Der Betrieb des Laser- basiert vollständig auf quantenmechanischen Phänomenen. Optisch integrierte Schaltkreise, CCD-Kameras, Solarzellen und Photomultiplier sind weitere wichtige Anwendungen. Das Digitalkamera wäre ohne Quantenoptik undenkbar.