Physik - Kaleidoskop

Optik 322
Teilbereiche der Optik
Man unterscheidet zwei klassische Zugänge zur Lichtausbreitung: Die Wellenoptik und die geometrische Optik.
Grundlage der Wellenoptik ist die Wellennatur des Lichts. Die Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik gelten
für den Fall, dass die Abmessungen des optischen Systems sehr groß sind gegenüber der Wellenlänge des Lichts. Bei
geringen Abmessungen der Komponenten gegenüber der Wellenlänge spricht man von der Mikrooptik.
Eine wichtige Teildisziplin der Optik ist die Quantenoptik, die sich mit den Wechselwirkungen von Licht und
Materie beschäftigt. Dabei spielt besonders der gequantelte Charakter des Lichts eine bedeutende Rolle.
Daneben sind die nichtlineare Optik (bei der das Licht im Gegensatz zur linearen Optik das umgebende Medium
beeinflusst und dadurch zusätzliche Effekte bewirkt) und die Fourieroptik von theoretischem und technischem
Interesse. Ein interdisziplinärer Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der
Erdatmosphäre untersucht werden.
Geometrische Optik
In der geometrischen Optik wird Licht durch idealisierte Strahlen
angenähert. Der Weg des Lichtes, etwa durch ein optisches Instrument,
wird durch Verfolgen des Strahlenverlaufs konstruiert. Das
snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Brechung des Lichtes an
Grenzflächen zwischen transparenten Medien mit verschiedener
Brechzahl (an Oberflächen von Linsen oder Prismen). Bei Reflexion
an Spiegeln und bei der Totalreflexion gilt die Regel, dass der
Einfallswinkel dem Reflexionswinkel gleich ist. Mittels dieser
Methode lassen sich Abbildungen, beispielsweise durch Linsen oder
Beispiel eines Strahlengangs anhand des
Kepler-Fernrohrs
Linsensysteme (Mikroskop, Teleskop, Objektiv) und die dabei auftretenden Abbildungsfehler behandeln. Eine
wichtige Näherung ist die paraxiale Optik, welche aus einer Linearisierung des Snelliusschen Brechungsgesetzes
abgeleitet werden kann, und wichtige Begriffe wie Brennweite und Abbildungsmaßstab definiert.
Wellenoptik
Als Wellenoptik wird der Bereich der Optik bezeichnet, der von der
Wellennatur des Lichts handelt. Sie erklärt Phänomene, die durch die
geometrische Optik nicht erklärt werden können, da bei ihnen die
Welleneigenschaft des Lichtes relevant sind. Beispielsweise ist in der
geometrischen Optik im Prinzip eine ideale Abbildung möglich,
wohingegen die Wellenoptik zeigt, dass durch Beugungseffekte der
Auflösung eine prinzipielle Grenze gesetzt ist; dies ist unter anderem
bei fotolithografischen Prozessschritten bei der Herstellung moderner
integrierter Schaltungen zu beachten. Wichtige Elemente der
Wellenoptik sind:
• Interferenz zwischen einander überlagernden Wellenfronten.
Beugung am Spalt gemäß dem Huygensschen
Prinzip
• Beugung, die sich zeigt, wenn Licht sich durch kleine Spalten oder an Kanten entlang ausbreitet
(Beugungsintegral).
• Polarisation des Lichts.
• Streuung des Lichts an Partikeln, die in dem Volumen, durch das das Licht fällt, verteilt sind.
Die Wellenoptik kann auch Effekte beschreiben, die von der Wellenlänge des Lichts abhängen; man spricht dabei
allgemein von Dispersion. (Beispiel: „Warum ist der Himmel blau?“) Je nach oben genanntem Mechanismus müssen