Einleitung 23 Über dieses Buch 23 Vereinbarungen in diesem Buch 24 Was Sie nicht lesen müssen 25 Einige törichte Annahmen 25 Der Aufbau dieses Buches 25 Teil I: Es geht los: Die Grundlagen der Optik 26 Teil II: Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 26 Teil III: Ausnutzen des Wellencharakters: Die Wellenoptik 26 Teil IV: Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 26 Teil V: Es wird komplexer: Optische Hybridsysteme 26 Teil VI: Mehr als nur Bilder: Moderne Optik 26 Teil VII: Der Top-Ten-Teil 27 Symbole in diesem Buch 27 Wie es weitergeht 27 Teil I Es geht los: Die Grundlagen der Optik 29 Kapitel 1 Die Wissenschaft des Lichts: Einführung in die Optik 31 Die Eigenschaften des Lichts 31 Erzeugung von Bildern mit Hilfe der Teilcheneigenschaften des Lichts 32 Sich die Welleneigenschaften zunutze machen: Interferenz und Beugung 32 Die Optik zu Ihrem Vorteil verwenden: Grundlegende Anwendungen 33 Ihr Verständnis der Optik erweitern 33 Komplizierte Anwendungen 34 Anwendungen der modernen Optik 34 Sie ebneten den Weg: Beiträge zur Optik 35 Kapitel 2 Auffrischung der für die Optik wichtigen Mathematikund Physik-Kenntnisse 37 Physikalische Messungen durchführen 37 Ihre Mathematik-Kenntnisse auffrischen 38 Mit Variablen jonglieren 38 Bestimmung von Längen und Winkeln mithilfe der Trigonometrie 40 Das Unbekannte anhand der Algebra erforschen 43 Wiederholung der Wellenphysik 47 Die Wellenfunktion: Ihre Merkmale und die Variablen 47 Das Medium ist wichtig: Mechanische Wellen 49 Verwendung von Wellenfronten in der Optik 50 Kapitel 3 Eine kleine Studie des Lichts: Die Grundlagen 51 Entwicklung erster Ideen von der Natur des Lichts 51 Über die Teilchentheorie des Lichts nachdenken 51 Durch die Wellentheorie des Lichts spazieren 52 Lichtwellen näher betrachten 53 Wenn Licht eine Welle ist, was schwingt? Die elektromagnetische Strahlung verstehen 53 Mit Wellenlängen und Frequenzen rechnen: Das elektromagnetische Spektrum 55 Die Intensität und die Leistung des Lichts 56 Einsteins revolutionäre Vorstellung von Licht: Quanten 57 Der photoelektrische Effekt und die Probleme mit der Wellentheorie 57 Verschmelzen von Teilchen- und Welleneigenschaften: Das Photon 58 Es werde Licht: Drei Prozesse zur Erzeugung von Licht 59 Atomübergänge 59 Beschleunigte geladene Teilchen 60 Materie-Antimaterie-Kollision 61 Die drei Gebiete der Optik 61 Geometrische Optik: Licht als Strahlen betrachten 61 Physikalische Optik: Die Welleneigenschaften des Lichts erforschen 61 Quantenoptik: Eine kleine Anzahl von Photonen untersuchen 62 Kapitel 4 Die Richtung des Lichts festlegen 63 Reflexion: Wenn Licht auf Oberflächen prallt 63 Die Richtung des Lichts bestimmen 64 Die Rolle der Oberflächen bei der spiegelnden und der diffusen Reflexion 65 Der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung 66 Brechung: Das Licht beim Durchqueren einer Oberfläche ablenken 68 Die Verlangsamung des Lichts: Der Brechungsindex 68 Die Ablenkung berechnen: Das Snelliussche Gesetz 68 Das Licht kommt wieder zurück: Die Totalreflexion 70 Dispersion: Den Brechungsindex ändern 71 Doppelbrechung: Zwei Brechungsindizes bei derselben Wellenlänge 72 Beugung: Licht um ein Hindernis herum biegen 72 Arbeiten mit Strahlen: Geometrische Optik 75 Kapitel 5 Mit zahlreichen Lichtstrahlen Bilder erzeugen 77 Die einfachste Methode: Mithilfe von Schatten Bilder erzeugen 78 Ohne Linsen Bilder erzeugen: Die Lochkamera 80 Einen Blick auf die Größen der Bildbeschreibung werfen 81 Die Art des erzeugten Bildes: Reell oder virtuell 81 Die Ausrichtung des Bildes relativ zum Gegenstand 81 Die Größe eines Bildes relativ zum Gegenstand 81 Fokussieren Sie das Ziel: Brennpunkt und Brennweite 82 Den Brennpunkt und die Brennweite bestimmen 83 Unterscheidung von reellen und den virtuellen Brennpunkten 83 Kapitel 6 Zurückgeworfene Strahlen: Die Erzeugung von Bildern durch Spiegel 87 Ebene Spiegel machen alles einfach 87 Mit konkaven und konvexen Spiegeln die Form ändern 88 Die Spiegelgleichung und die Vorzeichen-Vereinbarungen 89 Mit Hohlspiegeln arbeiten 90 Konvexe Spiegel erkunden 92 Kapitel 7 Viele Strahlen zur selben Zeit brechen: Die Erzeugung von Bildern durch Brechung 95 Bestimmung der Lage der Bilder, die durch eine brechende Oberfläche erzeugt werden 95 Den Ort des Bildes berechnen 96 Lösung von Aufgaben mit einer brechenden Oberfläche 98 Mit mehr als einer brechenden Oberfläche rechnen 100 Linsen: Zwei benachbarte brechende Oberflächen 103 Design einer Linse 103 Konvexe und konkave Linsen näher betrachten 105 Bilder und Eigenschaften von Linsenkombinationen 106 Nein! Schon wieder Verschwommen: Bildfehler 109 Teil III Ausnutzen Des Wellencharakters: Die Wellenoptik 111 Kapitel 8 Optische Polarisation: Das oszillierende elektrische Feld des Lichts 113 Beschreibung der optischen Polarisation 113 Die Ausrichtung des elektrischen Feldes 114 Polarisation: Die Ebene des elektrischen Feldes betrachten 115 Die verschiedenen Arten der Polarisation 115 Linear, zirkular oder elliptisch: Folgen Sie dem Weg des Vektors 116 Polarisiertes Licht erzeugen 123 Selektive Absorption: Bitte in einer Reihe anstellen! 123 Streuung an kleinen Teilchen 124 Reflexion: Ausrichtung parallel zur Oberfläche 125 Doppelbrechung: Aufspalten in Zwei 126 Kapitel 9 Änderung der optischen Polarisation 129 Verfahren zur Änderung des Polarisationszustands 129 Dichroitische Filter: Änderung der Achsen mithilfe von linearen Polarisatoren 129 Doppelbrechende Materialien: Den Polarisationszustand ändern oder drehen 133 Rotierendes Licht durch optisch aktive Materialien 136 Jones-Vektoren: Die Änderung der Polarisation berechnen 137 Den Polarisationszustand anhand von Jones-Vektoren darstellen 137 Jones-Matrizen und Bauelemente zur Änderung der Polarisation 139 Matrizen-Multiplikation: Der Einfluss von Bauelementen auf das einfallende Licht 140 Kapitel 10 Berechnung des reflektierten und transmittierten Lichts mithilfe der Fresnelschen Formeln 145 Der Anteil an reflektiertem und transmittiertem Licht 145 Transversale Moden: Beschreibung der Richtung von Feldern 145 Definition von Reflektions- und Transmissionskoeffizient 147 Verwendung leistungsstärkerer Größen: Reflexionsvermögen und Transmissionsvermögen 147 Die Fresnelschen Formeln: Die Menge an reflektiertem und transmittiertem Licht 148 Besondere Situationen bei der Reflexion 150 Unter dem Brewster-Winkel auftreffen 151 Reflexionsvermögen bei senkrechtem Einfall: Bei 0° hereinkommen 151 Reflexionsvermögen bei streifendem Einfall: Bei 90° auftreffen 151 Interne Reflexion und Totalreflexion 152 Verhinderte Totalreflexion: Die abklingende Welle betrachten 152 Kapitel 11 Fortwährende optische Überlagerungen: Nicht immer eine schlechte Sache 155 Die optische Interferenz 155 Die verschiedenen Streifen betrachten: konstruktive und destruktive Interferenz 156 Drei Bedingungen zur Erzeugung von Interferenz 156 Praktische Anwendungen der Interferenz: Interferometer 158 Wellenfrontteilende Interferometer 158 Amplitudenteilende Interferometer 163 Weitere Aufbauten zur Aufteilung von Amplituden 166 Interferenz dünner Schichten 166 Die Newtonschen Ringe 168 Fabry–Perot-Interferometer 169 Kapitel 12 Beugung: Das Licht um Hindernisse herum biegen 171 Von Nah nach Fern: Zwei Arten der Beugung 171 Die Arten der Beugung 172 Bestimmung der Art der Beugung 172 In großer Entfernung: Die Fraunhofer-Beugung an verschieden Blenden 173 Fraunhofer-Beugung an einer kreisförmigen Blende 174 Fraunhofer-Beugung am Spalt 176 In der Nähe: Fresnel-Beugung an verschiedenen Blenden 181 Fresnel-Beugung an einer rechteckigen Blende 181 Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Blende 182 Fresnel-Beugung an einer festen Scheibe 183 Beugung an einer Fresnel-Zonenplatte 183 Teil IV Praktische Anwendungen: Optische Instrumente 187 Kapitel 13 Linsensysteme: Gegenstände betrachten, wie man sie sehen will 189 Das wichtigste optische System: Das menschliche Auge 189 Den Aufbau des menschlichen Auges 189 Akkommodation: Mit Muskelspielen den Brennpunkt ändern 191 Die Verwendung von Linsensystemen zur Korrektur von Fehlsichtigkeit 192 Korrigierende Linsen: Die Linsenform und die Brechkraft 193 Korrektur von Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit und Astigmatismus 194 Unterstützung des menschlichen Auges durch Linsensysteme 198 Vergrößerungsglas: Bilder mit einer Lupe vergrößern 198 Kleine Gegenstände mit einem Mikroskop betrachten 199 Mit einem einfachen Fernrohr die Entfernung überbrücken 201 Auf den großen Schirm werfen: Der optische Projektor 202 Kapitel 14 Lichtquellen erforschen: Licht bekommen, wo man möchte 203 Gewöhnliche elektrische Lichtquelle 203 Wichtige elektrische Lichtquellen und ihre Wirkungsweise 204 Die Leistung von Glühbirnen und Leuchtstofflampen 206 Effizienteres Licht: Leuchtdioden 207 Das Innenleben einer Leuchtdiode 208 Mit organischen Leuchtdioden farbiges Licht erhalten 209 Leuchtdioden im Display: Laserdioden 210 Den Laser von Grund auf betrachten 211 Bau eines einfachen Lasersystems 212 Vergleich zwischen Lasern und elektrischen Lichtquellen 217 Kapitel 15 Das Licht von hier nach dort leiten 219 Licht in den Lichtwellenleiter leiten und es dort halten: Totalreflexion 219 Die numerische Apertur bestimmen: Wie viel Licht kann man hineinpacken? 219 Moden von Lichtwellenleitern 221 Verschiedene Arten von Lichtwellenleitern 222 Glasfaserkabel 222 Rechteckige Wellenleiter 226 Lichtwellenleiter bei der Arbeit: Verschiedene Anwendungen 226 Hohlleiter 226 Fernmeldeverbindungen 227 Bildübertragung durch Glasfaserbündel 229 Teil V Komplexe Optische Systeme 231 Kapitel 16 Photographie: Bilder für die Ewigkeit 233 Schnappschuss von den Bestandteilen einer Kamera 233 Linsen: Sie bestimmen, was man sieht 234 Blenden: Mit Blendenzahlen und Lichtstärken arbeiten 238 Verschlussklappe: Gerade genug Licht durchlassen 239 Speichermedien: Bilder für immer festhalten 240 Holographie: Auf einer ebenen Oberfläche Tiefe sehen 241 Das Sehen in drei Dimensionen 241 Zwei verschiedene Arten von Hologrammen 242 Der Zusammenhang zwischen Hologramm und Beugungsgitter 244 In die Tiefe gehen: 3D-Filme 246 Zirkulare Polarisation 247 Das sechsfarbige Anaglyphenverfahren 247 Shutterbrillen 248 Kapitel 17 Bildgebende Verfahren in der Medizin: Man braucht kein Skalpell 249 Licht in den Körper schicken und sehen, was dabei heraus kommt 249 Röntgenstrahlen 250 Optische Kohärenztomographie 252 Endoskope 253 Interpretation des Licht, das Ihren Körper verlässt 256 Computertomographie 256 Positronen-Emissions-Tomographie 257 Kernspinresonanzspektroskopie 259 Magnetresonanztomographie 260 Kapitel 18 Optik überall: Weitere medizinische, industrielle und militärische Anwendungen 263 Medizinische Verfahren betrachten, die mit Lasern arbeiten 263 Das Entfernen von unerwünschtem Material: Gewebeabtrag 264 Löcher und Schnitte abdichten 267 Rein kosmetisch: Weg mit Tätowierungen, Krampfadern und unerwünschten Haaren 268 In die Industrie gehen: Mit der Optik Produkte herstellen und überprüfen 269 Die Qualitätskontrolle 269 Löcher bohren und Materialien ätzen 270 Das Leben vereinfachen: Kommerzielle Anwendungen 270 Anwendungen der Optik in der Verteidigung und in Sicherheitssystemen 271 Entfernungsmesser 271 Nachtsichtgeräte 272 Wärmebildkameras 272 Bildbearbeitung 273 Kapitel 19 Ins Weltall schauen: Teleskope 275 Der Aufbau von Fernrohren und Teleskopen 275 Das Licht sammeln 276 Das Bild mit einem Okular betrachten 277 Linsenfernrohre 278 Das Galilei-Fernrohr 279 Das Kepler-Fernrohr 280 Spiegelteleskope 281 Das Newton-Teleskop 281 Das Cassegrain-Teleskop 282 Das Gregory-Teleskop 282 Spiegel und Linsen kombinieren 284 Das Schmidt-Teleskop 284 Das Maksutov-Teleskop 285 Astronomie: Das Unsichtbare jenseits des Sichtbaren betrachten 285 Wenn ein Teleskop allein nicht ausreicht 286 Teil VI Mehr Als Nur Bilder: Moderne Optik 287 Kapitel 20 Der Brechungsindex, Teil 2: Man kann ihn verändern! 289 Elektrooptik: Beeinflussung des Brechungsindexes mithilfe von elektrischen Feldern 289 Dielektrische Polarisation: Die Ursache des elektrooptischen Effekts verstehen 290 Linear und quadratisch: Arten des elektrooptischen Effekts 291 Bauelemente, die auf dem elektrooptischen Effekt beruhen 294 Akustooptik: Die Dichte des Kristalls mit Schall verändern 296 Der akustooptische Effekt: Ein optisches Gitter erzeugen 296 Verwendung akustooptischer Bauelemente 297 Frequenzwandlung: Die Frequenz des Lichts mit Licht beeinflussen 298 Frequenzverdopplung: Second Harmonic Generation 299 Optisch parametrischer Oszillator: Pumpstrahlen in Signalstrahlen verwandeln 299 Summen- und Differenzfrequenz: Erzeugung von langen und kurzen Wellenlängen 300 Kapitel 21 Quantenoptik: Wo befindet sich das Photon? 301 Wellen- und Teilcheneigenschaften miteinander verweben 301 Die Wellen- und Teilcheneigenschaften des Lichts betrachten 302 Auch Teilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter 303 Der experimentelle Beweis: Die Doppelnatur von Licht und Materie beobachten 305 Den Youngschen Doppelspaltversuch erneut aufgreifen 305 Beugung von Licht und Materie 306 Das Mach–Zehnder-Interferometer 306 Quantenverschränkung: Photonen verschränken 307 Eine spukhafte Fernwirkung: Verschränkte Photonen 307 Quantenkryptographie und Quantencomputer: Anwendungen mit verschränkten Photonen 308 Der Top-Ten-Teil 309 Kapitel 22 Zehn optische Experimente, die man mit einfachen Mitteln durchführen kann 311 Demonstration der Dispersion mithilfe eines Wassersprühers 311 Ein einfaches Vergrößerungselement 311 Mikroskopie mithilfe einer Murmel 312 Messung der Brennweite einer Lupe 312 Ein Teleskop aus Vergrößerungsgläsern 313 Dünnschichtinterferenz mit Seifenblasen 313 Polarisationsbrillen und der Himmel 314 Luftspiegelungen an einem klaren Tag 314 Der Öffnungsfehler eines Vergrößerungsglases 315 Der Farbfehler eines Vergrößerungsglases 315 Kapitel 23 Zehn bedeutende optische Entdeckungen – und die Leute, die sie verwirklichten 317 Das Teleskop (1610) 317 Die physikalische Optik (spätes 17. Jahrhundert) 317 Beugung und die Wellenoptik (spätes 17. Jahrhundert) 318 Der Doppelspaltversuch (frühes 19. Jahrhundert) 318 Die Polarisation (frühes 19. Jahrhundert) 319 Die Rayleigh-Streuung (spätes 19. Jahrhundert) 319 Elektromagnetismus (1861) 319 Elektrooptik (1875 und 1893) 320 Die Photonentheorie des Lichts (1905) 320 Maser (1953) und Laser (1960) 321 Stichwortverzeichnis 323