Transcript 12. Optik

12. Optik
12.1 Einführung:
Lehre vom Licht. Sie gehört zu den ältesten Gebieten der Physik.
Frage nach der Natur des Lichts. ( sehr viele Theorien )
Kapitel 12 Optik
1
Newton
Teilchen
Huygens
?
Kapitel 12 Optik
Welle
2
Abnahme Beleuchtungsstärke
Kapitel 12 Optik
3
Medium 1
Spiegel
Medium 2
Kapitel 12 Optik
4
E
1
1
2
B
A
C
2
F
AB  BC  x
BE c1  t

x
AB
BF c 2  t
sin  2 

x
BC
sin 1 
sin1 c1 n2


n
sin2 c 2 n1
Kapitel 12 Optik
Brechungsgesetz
von Snellius
5
James Clerk MAXWELL
Feldgleichungen
Heinrich HERTZ
Kapitel 12 Optik
6
 << d
Geometrische Optik
  d
Wellenoptik
Photoeffekt, Comptoneffekt
Photonen „Teilchen“
Kapitel 12 Optik
7
(Äußerer fotoelektrischer Effekt (=Bestrahlen von Metallen mit
Licht löste aus dem Metall Elektronen heraus)).
[ Compton konnte zeigen, dass Licht hoher Energie so in Materie
gestreut wird, als ob es aus Korpuskeln bestände, die beim Stoß
mit den Elektronen der Materie Energie und Impuls gemäß den
Erhaltungssätzen austauschen.]
Trotzdem ließen sich viele Phänomene nur mit der Wellennatur
beschreiben.
DUALISMUS Welle - Teilchen → Quantentheorie.
Kapitel 12 Optik
8
12.2 Geometrische Optik
12.2.1 Reflexion und Brechung:
Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel:
Die Linse +50 wird etwa
13cm vor der Experimentierleuchte aufgestellt. Der
Blendenhalter mit
Schlitzblende wird der
Linse "aufgesetzt".
Spiegel
Die optische Scheibe wird ca. 32cm vor der Leuchte aufgestellt.
Zentrieren! Wenn der einfallende Strahl in Richtung des Lots auf den
Spiegel trifft, soll der reflektierte Strahl mit dem einfallenden
zusammenfallen.
Miss:
20°
30°
50°
 in Grad 10°
' in Grad
Kapitel 12 Optik
9
einf allender Strahl
reflektierter Strahl
Lot
 '
Spiegel
Es ist zu erkennen:
α = α‘
Reflexionsgesetz
(Vgl.Wellenlehre)
Kapitel 12 Optik
10
Brechungsgesetz
Aufbau wie vorhin.
Der Spiegel wir durch einen
Plexiglas-Halbzylinder
ersetzt. Die gerade Seite
schaut zur Lampe. Bringe
sie mit der Durchmesserlinie der opt. Scheibe zur
Deckung. (Zentrieren!!)
sin 
sin 
Miss den Brechungswinkel ß und ergänze die Tabelle:
 in Grad
0
10°
20°
30°
40°
50°
60°
ß in Grad
sin 
sin
Kapitel 12 Optik
11
Bei diesem Brechungsversuch gelangt der
Lichtstrahl vom optisch dünneren ins
optisch dichtere Medium.
Aus der Tabelle erkennt man:
• Der Brechungswinkel ß ist stets .................. als der Einfallswinkel.
• Es findet Brechung ........... Lot statt.
sin 
• Der Quotient
sin
• Der Mittelwert für
sin 
 n1,2
sin
ist für alle Winkel .......................................
sin 
sin
beträgt bei diesem Versuch ................. .
Brechungsgesetz
Dieser Quotient ist eine für die beiden Medien (Luft, Glas)
charakteristische Größe und wird als Brechungsindex n1,2 bezeichnet.
Kapitel 12 Optik
12
Totalreflexion
Beim diesem Brechungsversuch trifft der
Lichtstrahl radial auf den Halbzylinder und
wird daher beim Eintritt in das Glas nicht
gebrochen. Uns interessiert der Übergang
vom optisch dichteren (Glas) ins optisch
dünnere Medium (Luft).
Beachte: Ein Teil des Lichts wird immer
reflektiert. Miss daher auch die
Reflexionswinkel.
Hier tritt bei einem bestimmten
Einfallswinkel der Fall ein, dass der
gebrochene Strahl den Brechungswinkel
90° hat. Trage diesen Wert in der Tabelle
in die leere Spalte ein
 in Grad
0
10°
20°
30°
40°
50°
60°
ß in Grad
' in Grad
Kapitel 12 Optik
13
G .... Grenzwinkel der Totalreflexion
Ist der Einfallswinkel > G , so wird der gesamte Lichtstrahl
reflektiert.
Er beträgt bei unserem Versuch etwa ...........
Daraus lässt sich die Brechzahl bestimmen:
sin G
1
 sin G  n2,1 
sin90
n1,2
Totalreflexion
Überprüfe rechnerisch: sinG = .........
n2,1 ...........
1
.................
n2,1
Kapitel 12 Optik
n1,2 ..................
14
Schülerversuch Lichtbrechung
Lampe
0
5
Linse +50
25
50
Linse +100
Kapitel 12 Optik
15
Schülerversuch Lichtbrechung
Kapitel 12 Optik
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Schülerversuch Lichtbrechung
Übergang dünneres in dichteres Medium
Lot
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Schülerversuch Lichtbrechung
Übergang dichteres in dünneres Medium
Licht von hier
Kapitel 12 Optik
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Anwendungen und Beispiele für Totalreflexion
Umkehrprisma
Ablenkprisma
Fata Morgana = Luftspiegelung (Abb. 98.4 Buch Basiswissen 6RG)
Lichtfaserleitung: (Abb. 98.5 Buch Basiswissen 6RG) und Versuch.
Kapitel 12 Optik
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Infolge Totalreflexion tritt das Licht erst am Ende der Leitung aus.
Meist sind die Fasern mit einer Lackschicht umgeben. Der
Durchmesser dieser Fasern beträgt ø10- 500µm, in der
Nachrichtentechnik bis ø 1µm.
Vorteile der Übertragung mit Lichtfaserleitungen: Geringe
Abmessungen, geringes Gewicht, Freiheit von Nebengeräuschen
und Störfreiheit (z.B. von magnet. Feldern).
Aufgaben zu Reflexion und Brechung:
Basiswissen 6RG S. 97 A1 u. A3
Kapitel 12 Optik
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12.2.2 Optische Linsen
Einteilung:
Sammellinsen oder
Konvexlinsen (in der
Mitte dicker als am
Rand)
Zerstreuungslinsen oder
Konkavlinsen (in der Mitte
dünner als am Rand)
Kapitel 12 Optik
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Wovon die Brennweite einer Linse abhängt
Linsen
Ein Parallelbündel fällt auf verschiedene Linsen:
Abb. 1-5: Es wird in einem Punkt gesammelt
(Sammellinsen; Sie sind in der Mitte dicker als außen).
Abb. 6 u. 7: Es wird zerstreut (Zerstreuungslinsen ; Sie
sind in der Mitte dünner als außen).
Die zerstreuten Strahlen scheinen von einem
gemeinsamen Punkt vor den Linsen (Brennpunkt) zu
stammen. Die Brennweite wird hier negativ gewertet.
Man erkennt:
• Beide Seiten der Linse tragen zur Bündelwandlung bei.
• Die Seiten können konvex, plan oder konkav sein.
• Je stärker die Krümmung, desto stärker ihre Wirkung.
• Konvexe und konkave Krümmung beeinflussen die
Wirkung der Linse in entgegengesetzter Weise.
Kapitel 12 Optik
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Bildkonstruktion für eine Sammellinse:
Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen.
Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch
+L
G
F'
B
F
f
f
g
b ...
g ...
f ...
B ...
G ...
b
Bildweite
Gegenstandsweite
Brennweite
Bildgröße
Gegenstandsgröße
Kapitel 12 Optik
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Herleitung der Linsengleichung:
+L
G
F'
B
F
f
f
b
g
Vergrößerung 
Bildgröße
Gegens tan dsgröße
V
B b

G g
Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen Dreiecken:
B bf

G
f

b bf

g
f
oder :
bf = bg - fg
Wir dividieren durch bgf
1 1 1
 
g b f
Linsengleichung für Sammellinsen
Kapitel 12 Optik
24
Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer Sammellinse:
Ein leuchtender Gegenstand
("L") wird in einem Blendenhalter auf die Experimentierleuchte aufgesteckt.
g [cm]
40
35
30
25
20
b [cm]
G [cm]
B [cm]
1 1

g b
Kapitel 12 Optik
15
Befindet sich die
Experimentierleuchte
auf 0, so ist das Dia
auf 3,5 cm.
Stelle nebenstehende
Gegenstandsweiten
ein und miss die
dazugehörigen
Bildweiten (wo sich ein
scharfes Bild ergibt)!
(S verschieben!)
25
Welche Bilder ergeben sich ?
g > 2f
verkehrt, verkleinert,
reell
g<f
aufrecht, vergrößert,
virtuell
g = 2f
verkehrt, gleich groß,
reell
g=f
kein Bild
f < g < 2f
verkehrt, vergrößert,
reell
Brechkraft: ist der Kehrwert der Brennweite in Metern.
D
1
f [m]
Sie wird in Dioptrien angegeben.
Ein negatives Vorzeichen bedeutet dabei Zerstreuungslinse.
Kapitel 12 Optik
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Kapitel 12 Optik
27
Diaprojektor:
Dia
FObj
FKond
Hohlspiegel
F'Kond
Kondensor
Objektiv
Gute Ausleuchtung: fObj  2*fKond
Overheadprojektor
Für den Kondensor
verendet man eine
Fresnellinse.
Kapitel 12 Optik
28
12.3 Spektren
Versuchsaufbau:
+50
+100
S ch irm
P o s i ti o n 1
L i c h tq .
K re is b l.
S p a lt
P ris m a
Kondens or
Ab b il d u n g s l in s e
Kapitel 12 Optik
P o s i ti o n 2
29
Emissionsspektrum
Führe folgende Aufgaben durch:
1.
2.
3.
4.
Bilde die Glühwendel der Lichtquelle mit dem Kondensor auf
den Ort ab, wo du später das Prisma hingeben wirst! (ca. 40 cm
von der Lampe entfernt)
Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab! (Zunächst ohne
Prisma) Protokolliere die Abstände!
Gib das Prisma zwischen Abbildungslinse und Schirm! Beachte,
dass du dabei den Schirm verschieben musst!
Wiedervereinigung
Schreibe die Beobachtung auf!
Wie ist die Anordnung der Farben?
Art des Spektrums?
Was kannst du über den Brechungsindex des Prismas sagen?
Kapitel 12 Optik
30
+50
+100
S ch irm
P o s i ti o n 1
Komplementärfarben
Wiedervereinigung
L i c h tq .
K re is b l.
S p a lt
P ris m a
Kondens or
Ab b il d u n g s l in s e
P o s i ti o n 2
5.
Bringe hinter dem Prisma eine Sammellinse (+50mm) in den
Strahlengang und verschiebe sie solange, bis auf dem Schirm
weiß erscheint!
Was schließt du daraus? Was ist “weiß” für eine Farbe?
6.
Blende mit Hilfe eines Trinkhalms, den du hinter der
"Vereinigungslinse" anbringst, einzelne Farben aus.
Welche Beziehung haben die ausgeblendete Farbe und die Farbe
am Schirm?
Schreibe zwei Farbenpaare auf:
Kapitel 12 Optik
31
+50
+100
S ch irm
P o s i ti o n 1
L i c h tq .
Absorptionsspektrum
K re is b l.
S p a lt
P ris m a
Kondens or
Ab b il d u n g s l in s e
7.
P o s i ti o n 2
Entferne die Vereinigungslinse! Stecke auf den Kondensor
hintereinander Farbgläser und vergleiche mit dem
ursprünglichen Spektrum! (eventuell Farbglas nur halb
hineinschieben) Welche Farben werden jeweils absorbiert ?
Rotes Glas:
Blaues Glas:
Grünes Glas:
Pink-Folie:
Das so erzeugte Spektrum heißt Absorptionsspektrum.
Kapitel 12 Optik
32
Kapitel 12 Optik
33
12.3.1 Einteilung der Spektren
nach ihrer Entstehung:
Emissionsspektren und Absorptionsspektren
Körper, die Licht aussenden liefern ein Emissionsspektrum.
Beispiel: Licht einer Glühlampe.
Zusatzversuche:
Ähnlicher Versuchsaufbau wie vorhin (Lehrerversuch). Als Lichtquelle
wird eine Hg-Dampflampe oder eine Heliumlampe verwendet.
Ergebnis: Am Schirm sehen wir farbige Linien. (Linienspektrum)
Beobachte das Licht einer Leuchtstoffröhre durch ein Spektrometer →
Linien des Hg sind zu erkennen.
Geht das Licht durch einen Körper (Gas, Flüssigkeit, Farbglas), sieht
man im Spektrum dunkle Linien
→ Absorptionsspektrum
Beispiele: Weißes Licht durch KMnO4-Lösung : Nur rote und violette
Linien sichtbar.
Fraunhofersche Linien beim Beobachten des Sonnenspektrums.
Kapitel 12 Optik
34
nach ihrem Aufbau:
Kontinuierliche Spektren - Linienspektren (Diskontinuierlich)
Ein Linienspektrum enthält die für das entsprechende Element
charakteristischen Linien.
Gase: liefern ein Linienspektrum
Festkörper und Flüssigkeiten, sowie Gase unter sehr hohem
Druck liefern ein kontinuierliches Spektrum.
Kapitel 12 Optik
35
Kapitel 12 Optik
36
Kontinuierliches Spektrum
Kapitel 12 Optik
37
Linienspektrum
Kapitel 12 Optik
38
Absorptionsspektrum
Kapitel 12 Optik
39
Sonnenspektrum
Kapitel 12 Optik
40
Genaues Sonnenspektrum
Kapitel 12 Optik
41
Sternspektren
Sternspektren
O
B
A
F
G
K
M
Kapitel 12 Optik
42
Ende
12.4 Entstehung von Licht
Nimmt ein Körper in einem System alle Energiewerte an, nennt man
die Energiezustände kontinuierlich.
Oft aber sind nur bestimmte diskrete Energiezustände möglich.
A1: Gib Beispiele von Systemen aus dem Alltag an, die
kontinuierliche Energiezustände annehmen können!
A2: Gib Beispiele nicht kontinuierlicher (diskreter) Vorgänge des
Alltags an!
Lösung:
A1: z. B. kinetische Energie (Fußball, ...), Spannungsenergie einer
Feder, potentielle Energie
A2: Tropfen eines Wasserhahns, Bezahlen in 1€ - Sprüngen
Kapitel 12 Optik
43
Elektron im Atom
Grundzustand:
( Zustand geringstmöglicher Energie)
Um welches Atom
könnte es sich
handeln?
Vgl. Abb.Kapitel
26.1 12
Physik
Optik compact 7
44
Anregung eines Elektrons
Absorption
Zufuhr von Energie: Stoß, Wärme, Licht, …
Kapitel 12 Optik
45
Emission
Energie wird abgegeben in Form von elektromagnetischer Strahlung.
E = E2 - E1
Da es sich um diskrete Energieniveaus handelt, erfolgt die
Abstrahlung in Form von Lichtquanten (Portionen).
Je höher die Energiedifferenz, desto höher die Frequenz.
Aus experimentellen Befunden: Die Energie wächst mit der Frequenz.
E = h·f
Energie eines Lichtquants
Kapitel 12 Optik
gilt für alle Atome.
46
Plancksches Wirkungsquantum
E = E2–E1 = h·f
h=6,63·10–34Js
Plancksches Wirkungsquantum
Kapitel 12 Optik
47
E = h·f
Energie eines Lichtquants
h = 6,6 . 10-34Js (Planksches Wirkungsquantum) (Naturkonstante)
Die Energie wird in der Atomphysik meist in ElektronenVolt angegeben.
1 eV = 1,6 . 10-19J
e ... Elementarladung (e = 1,6 . 10-19C)
Die Dauer eines solchen Energieübergangs ist sehr kurz. (  10-8s)
Diese Zeitdauer legt auch die Länge eines Wellenzuges fest.
(Achtung dies ist nicht die Wellenlänge!!!!)
Abschätzung der Länge eines Wellenzuges:
  10-8s
s = v·t
s = 3·108·10-8 = 3 m.
Kapitel 12 Optik
48
Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts:
UV (Ultraviolett) Blau
400 nm
Rot
IR (Infrarot)
800 nm
Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs.
Berechne die Wellenlängen einiger Linien des Wasserstoffs!
Kapitel 12 Optik
49
Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs.
E
Termschema
für H:
n=
n=3 M
–1,5eV
n=2 L
–3,4eV
n=1 K
–13,6eV
Lyman Balmer Paschen Brackett
Kapitel 12 Optik
50
Grundzustand:
- 13,6 eV
1. angeregter Zustand:
- 3,39 eV
Energiedifferenz E =
10,21 eV
E = h·f = h·c/
hc
 
E
6,6  1034  3  108
7


1
,
21

10
m
19
10,21 1,6  10
Lyman - Serie: e, die von einem angeregten Zustand in den
Grundzustand übergehen (UV)
Balmer - Serie: e, die von einem angeregten Zustand in den 1.
angeregten Zustand
übergehen ( sichtbares Licht)
Paschen - Serie: e, die von einem angeregten Zustand in den
2. angeregten Zustand übergehen (Infrarot)
Kapitel 12 Optik
51
Ende
12.5 Der Laser:
“Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation“
(Lichtverstärkung durch angeregte Aussendung von Strahlung)
Kapitel 12 Optik
52
Inkohärentes,
weißes Licht
Inkohärentes,
monochromatisches Licht
Kohärentes
Licht
Kapitel 12 Optik
53
12.5 Der Laser:
(Light Amplified Stimulated Emission of Radiation)
Bisher: Die Lichtaussendung ist ein spontaner Vorgang, der bei den
vielen Atomen zeitlich unterschiedlich und unbeeinflusst vor sich geht.
Wird die Lichtaussendung eines energiereichen Atoms durch Licht
selbst angeregt, spricht man von stimulierter Emission oder auch
induzierter Emission. Diese ist Grundlage für den Laser.
Man benötigt dazu LASER-wirksame Materialien. Diese besitzen
Energieniveaus, die unterschiedlich lange mit Elektronen besetzt sind.
Kapitel 12 Optik
54
Absorption - Emission
E
Absorption
Ein Atom wird durch ein
auftreffendes Energiequant in einen angeregten
Zustand versetzt.
Spontane
Emission
Ein angeregtes Atom
gibt Strahlung ab.
Kapitel 12 Optik
Induzierte
Emission
Auftreffende Energiequanten
veranlassen angeregte
Atome zur Emission von
gleichartigen Quanten.
55
Vorgang: Man pumpt zunächst auf
das höhere Energieniveau E2. Dort
beträgt die Verweildauer 10-8s.
Darauf wechseln sie in das
metastabile Zwischenniveau E1, wo sie
eine Verweildauer von 10-4s haben.
Inversion. Das metastabile
Zwischenniveau ist höher besetzt als
der Grundzustand.
Werden die Elektronen des Zwischenniveaus durch einen Wellenzug,
dessen Energie der Energiedifferenz des Übergangs E1 - E0 entspricht,
angeregt, so erfolgt induzierte Emission.
Es kommt zur Verstärkung des Lichtwellenzugs, weil alle e von E1 unter
gleichzeitiger Aussendung von Licht in den Zustand E0 übergehen.
Kapitel 12 Optik
56
verspiegelte
Endfläche
teilweise
verspiegelte
Endfläche
Das Blitzlicht pumpt
Atome mit Energie auf.
Beginn der Kaskade:
Ein Photon induziert
weitere Emissionen.
Die Lichtlawine wird
reflektiert und verstärkt
sich dabei.
Der Laserstrahl ist
erzeugt.
Kapitel 12 Optik
57
Dadurch erhalten wir eine gleichartig aufgebaute Lichtwelle mit
• gleicher Phase (kohärentes Licht)
• gleicher Frequenz (monochromatisch) ,
sehr stark gebündelt, weil parallel durch
die Reflexion.
• polarisiert wegen des Laserfensters
Arten von Lasern:
Lies B. (BW 7 S. 31 ff.)
Kapitel 12 Optik
58
Arten von Lasern:
Festkörperlaser: von Maiman 1960 erfunden. Z. B. Rubinlaser
(=Aluminiumoxid mit Chromionen (sie haben die Lasereigenschaften))
Zum Pumpen wird eine Blitzlampe verwendet. Impulsbetrieb.
Kapitel 12 Optik
59
Gaslaser: z. B. He-Ne - Laser ( = 633 nm) (Ne ist hier das
Lasermaterial, Helium sorgt für das Pumpen). Er ist ein
kontinuierlich arbeitender Laser.
Kapitel 12 Optik
60
Halbleiterlaser: für CDs wichtig!
Kapitel 12 Optik
61
Medizin
Augen-, Zahnheilkunde,
Operationen, ...
Forschung und
Wissenschaft
Laserdrucker
CD-, DVD-Player
Holografie
LASER
Liniencodeleser
Showvorführungen
Vermessungstechnik
Militär
Lenksysteme, Aufklärung,
Zerstörung
Industrie
Schneiden, Bohren,
Schweißen, Gravieren
Kapitel 12 Optik
62
Ende
12.5.1 Holographie
Fotografie
Bei der herkömmlichen
Fotografie wird ein
Gegenstand mit Hilfe
eines Objektivs in eine
Ebene - die Filmebene
- abgebildet.
Objektiv
In dieser Ebene geht die Tiefengestaltung des Gegenstandes verloren.
Objektpunkte außerhalb der idealen Abbildungsebene werden,
entsprechend dem Schärfentiefenbereich, mehr oder weniger unscharf
abgebildet.
Kapitel 12 Optik
63
Aufnahme eines Hologramms:
Die Holografie ist
Strahlteiler
Spiegel keine Fotografie des
Laser
Objekts. Bei der
Beleuchtung mit
kohärentem (!!) Licht
werden die vom
Streulicht Gegenstand
ausgehenden Lichtwellen mit einem
Referenzlicht
kohärenten Referenzlichtbündel aus der
Spiegel
gleichen Lichtquelle
Aufw eitungsoptik
(Strahlungsteilung)
Hologramm
überlagert.
Das entstehende Interferenzmuster wird in einer Filmschicht mit hoher
Auflösung (bis zu 7000 Linien/mm; schärfste SW-Filme haben ca. 400
Linien/mm) gespeichert. Es enthält Informationen über Phase und Amplitude des eingestrahlten Lichts.
Kapitel 12 Optik
64
Wiedergabe eines Hologramms:
Hologramm
Hg
Lampe monochrom. Licht
Zur Wiedergabe beleuchtet man das Hologramm mit einem monochromatischen Lichtbündel, dessen Richtung dem Referenzstrahl während der
Aufnahme entsprechen soll. Das Licht wird an den mikroskopisch feinen
Interferenzstrukturen des Hologramms - ähnlich wie an einem Gitter gebeugt. Dem betrachtenden Auge erscheint hinter dem Hologramm ein
Wellenfeld, das aus den Bestimmungsstücken Amplitude, Bezugsphase
und Ausbreitungsrichtung der Wellenzüge des Objekts nicht
unterscheidbar vom Original (dreidimensional) rekonstruiert.
Kapitel 12 Optik
65
Das oben Beschriebene gibt das Prinzip der Holografie wieder. Die
Holografie wurde von Denis Gabor in den Jahren 1947/48 entwickelt. Er
hatte leider keine leistungsfähigen kohärenten Lichtquellen zur
Verfügung. Erst durch die Erfindung des Lasers durch Maiman im Jahre
1960 stand eine solche zur Verfügung. Gabor bekam im Jahr 1971 für
seine Arbeiten auf diesem Gebiet den Nobelpreis. Erst in den 80-er
Jahren nahm die Holografie einen großen Aufschwung, seit auch
Massenproduktionen in Form von Prägehologrammen möglich sind.
Kapitel 12 Optik
66
12.6 Welleneigenschaften des Lichts
12.6.1 Interferenz des Lichts
Zur Interferenz ist es nötig, dass die sich überlagernden Wellenzüge ein
Phasenbeziehung zueinander haben (Ebenso muss die Frequenz
stimmen).
Kohärenzbedingung:
Licht wird von Atomen und Molekülen in spontaner Emission
ausgestrahlt. Dabei werden lauter einzelne Wellenzüge ausgestrahlt,
die zusammen die Lichtwelle ergeben. (Dauer eines Elementaraktes
ca. 10-8s.) Die einzelnen Wellenzüge haben meist keine Beziehung
zueinander (Phase, Frequenz, Schwingungsrichtung) und können
daher auch nicht interferieren.
Kapitel 12 Optik
67
Inkohärentes,
weißes Licht
Inkohärentes,
monochromatisches Licht
Vgl. Buch BW 7 Abb. 31.1
Kohärentes
Licht
Kapitel 12 Optik
68
Die Länge eines solchen Wellenzuges bezeichnet man als Kohärenzlänge.
Diese beträgt bei weißem Licht einer Glühlampe ca. 10-6m
bei einer Hg-Dampflampe ca. 1m und bei einem Laser einige km.
Lichtwellen, die miteinander interferieren können bezeichnet man als
kohärent. (- die anderen inkohärent)
Kapitel 12 Optik
69
12.6.1.1 Interferenz an dünnen Schichten:
Versuch:
1. Beleuchtung
mit monochromatischem Licht:
2. Beleuchtung
mit weißem
Licht.
Ergebnis: Bei monochromatischem Licht sehen wir helle und dunkle
Streifen.
Bei weißem Licht sehen wir Streifen in Regenbogenfarben
Kurz vor dem Abreißen sehen Kapitel
wir einen
schwarzen Fleck.
12 Optik
70
1. Reflektiertes Licht:
1
Phasensprung
Wir betrachten die Strahlen 1' und 2
Gangunterschied: D = /2 +2d
( d .. Dicke der Wasserschicht)
/2 von der Reflexion am festen Ende
1'
2
Luft
Glas Luft
Verstärkung:
2d = */2  d =(2k+1).*/4
k = 0, 1, 2,...
*=/n (im dichteren Medium, nachher wieder , f bleibt gleich)
Auslöschung:
2d = * → d = k.*/2
k = 0, 1, 2,...
Kapitel 12 Optik
71
2. Durchgehendes Licht
Wir betrachten die Strahlen 1'' und 2''
D = 2d
Es gibt keinen Phasensprung
Verstärkung:
2d = * → d = k∙*/2
k= 0, 1, 2,...
1
1'
2
Luft
1"
2"
Glas Luft
Auslöschung:
2d = */2 → d =(2k+1)∙*/4
k= 0, 1, 2,...
Kapitel 12 Optik
72
1 2
12.6.1.2 Optische Vergütung:
Luf t
Vergütungsschich
( Aufbringung eines Antireflexbelages)
nL ... Brechungsindex in Luft
nV ... Brechungsindex in
Vergütungsschicht
nG ... Brechungsindex in Glas
nV < n G
Glas
a b
Strahl 1 erfährt einen Phasensprung daher Gangunterschied /2
Strahl 2 erfährt einen Phasensprung daher Gangunterschied /2
Diese beiden Gangunterschiede heben sich auf.
Um daher im reflektierten Licht Auslöschung zu erhalten, muss die
Schichtdicke
d
1 

4 n
sein.
Die Strahlen a und b (durchgehendes Licht) verstärken sich.
Kapitel 12 Optik
73
empirisch: nV 
gleich viel reflektiert.
nL  nG
so wird an beiden Schichten etwa
Die Löschung des reflektierten Lichts gelingt nur für eine bestimmte
Wellenlänge.
Wird beispielsweise LGrün (540 nm) angewählt, so wird blau und rot
reflektiert. → Blaubelag bei Kameraobjektiven etc.
Das Herstellen vergüteter Linsen erfolgt durch Aufdampfen im
Vakuum (z. B. Fa. Balzers).
Vergütungsmaterialien: Kryolith (Na3AlF6 ) n = 1,33
Magnesiumfluorid (MgF2) n = 1,38
Auch Mehrschichtbeläge sind möglich
Kapitel 12 Optik
74
Interferenzfilter
Teil des weißen Lichtes wird reflektiert, Komplementärfarbe geht durch
---> Farbteiler )
Interferenzfilter bestehen aus einem transparenten Material (z.B. Glas
oder Quarz), auf das viele dünne Schichten mit abwechselnd hoher und
niedriger Brechzahl aufgedampft sind. Eine in das Material
eindringende Welle wird an den Brechzahl-Übergängen teilweise
reflektiert. Haben die Schichten eine Dicke von ca. einer
Viertelwellenlänge, erfahren die reflektierten Teile konstruktive
Interferenz. Für alle anderen Wellenlängen entsprechen die
Phasenunterschiede nicht genau einer Wellenlänge, so dass die Wellen
destruktiv interferieren.
Interferenzfilter können mit verschiedenen spektralen Bandbreiten und
Transmissionsgraden hergestellt werden.
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12.6.2 Beugung
Versuch: Vom hinteren Ende des Physiksaals aus beobachten wir
durch einen Vorhangstoff eine am Pult stehende brennende Kerze.
Ergebnis: Man sieht die Flamme mehrmals. Diese Erscheinungen
nennt man Beugungserscheinungen.
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