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Optik

«Es werde Licht» heißt es schon in der Schöpfungsgeschichte

Die Natur des Lichtes, seine Erscheinungen und seine Nutzbarmachung haben den Menschen seit jeher fasziniert. Die Optik griech. optike «Lehre vom Sichtbaren» hat eine lange Geschichte. Als Teilgebiet der Naturwissenschaften kann man Optik folgendermaßen umschreiben. Optik beschäftigt sich mit der Erzeugung, Übertragung, Manipulation, Detektion und Anwendung von Licht. Optik treiben heißt somit «Licht erzeugen, Licht verstehen und Licht anwenden». 1

Quantenoptik

Quantenoptik

Die Wechselwirkung von Licht und Materie wird durch die Quantenoptik beschrieben.

© TUM -Pysik Department

Heutzutage wird oft von der großen Bedeutung der optischen Technologien, vom Jahrhundert des Photons, gesprochen. Vieles was wir in den Händen halten, was wir zur Kommunikation nutzen, was uns gestochen scharfe Bilder weit entfernter Objekte und Geschehnisse liefert, aber auch was zu unserer Unterhaltung beiträgt, was die Diagnose und Therapie von Krankheiten ermöglicht und vieles mehr wäre ohne die Optik nicht möglich. 2Man unterscheidet zwei klassische Zugänge zur Lichtausbreitung, die Wellenoptik und die geometrische Optik. 3

Geometrische Optik

Die geometrische Optik oder Strahlenoptik beschäftigt sich mit dem Verlauf von Lichtstrahlen in optischen Systemen. Sie umfasst alle Erscheinungen bei denen der Wellencharakter des Lichtes vernachlässigt wird.

Die Ausbreitung des Lichtes ist strahlenförmig und ihre Richtung wird durch Reflexion oder Brechung beeinflusst. Zusätzlich besteht die Möglichkeit der geometrischen Darstellung und Berechnung. Der Unterschied zur Wellenoptik liegt in der Größe der wechselwirkenden Medien (Linsen, Spiegel, Blenden,...), die viel größer als die Wellenlänge des Lichtes sind.

Im allgemeinen wird Licht als der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums verstanden. Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch für den Bereich außerhalb des sichtbaren Lichtes. Somit können die gewonnen Erkenntnisse der Optik 4 auch auf andere Spektralbereiche (z.B. Röntgenoptik) übertragen werden.

Beugung am Doppelspalt

Beugung am Doppelspalt

Das Licht besteht aus elektromagnetischen Feldern die sich wellenförmig ausbreiten.

© Uni-Hannover

Wellenoptik

Lässt man Licht auf kleine Öffnungen, Drähte, Ränder oder Spalten (Gitter) fallen, entstehen nicht die gemäß der Geometrischen Optik erwarteten Schatten. Vergrößert man die Schattenränder, erscheinen sie unscharf. Licht dringt in Bereiche, in die es nicht gelangen sollte, und Schatten sind dort, wo es keine geben dürfte. 5 Mit diesem Modell lassen sich viele Eigenschaften des Lichtes erklären und berechnen, was durch die geometrische Optik nicht möglich ist.

Die Wellenoptik ist der Bereich der Optik, der sich mit der Wellennatur des Lichtes auseinandersetzt. Demnach besteht Licht aus elektromagnetischen Feldern die sich 6 wellenförmig ausbreiten. Neben Beugung, Interferenz und Polarisation gehören dazu auch elektro-, magneto- und kristalloptische Erscheinungen. Mit den wellenoptischen Eigenschaften des Lichtes lässt sich z.B. das Prinzip der Holographie oder der LCD-Anzeigen erklären.

Quantenoptik

Die Wellentheorie beschreibt das Ausbreitungsverhalten des Lichts und anderer elektromagnetischer Wellen korrekt, sie kann aber die Wechselwirkung von Licht mit Materie nicht erklären. 7 Effekte wie z. B. der Photoeffekt oder die Absorptions- und Emissionsspektren der Atome und Moleküle können nur durch die Quantenoptik beschrieben werden.


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