PHY 15 Optik und Lichtmodelle: Eine Einführung

Optik und Lichtmodelle

• Optik und Aspekte des Lichts werden betrachtet.
• Klassische Optik betrachtet Licht als Welle.
• Geometrische Optik befasst sich mit Fällen, in denen Objekte oder der Weg des Lichtstrahls größer als die Wellenlänge sind.
• Wellenoptik hingegen betrachtet Fälle, wo Objekte die gleiche Grösse wie die Wellenlänge aufweisen.
• Physikalische Optik betrachtet Licht unter Verwendung der Quantenelektrodynamik.
• In der Quantenoptik werden Korpuskulareigenschaften des Lichts betrachtet.
• Licht kann als Lichtstrahlen, elektromagnetische Transversalwellen oder Lichtquanten betrachtet werden.
• Optische Phänomene umfassen Brechung, Reflexion, Interferenz, Polarisation, Beugung, Emission, Absorption, Streuung und Spektrallinien.

Optik: Fokus

• Wellenausbreitung.
• Beugung an einem Spalt.
• Beugungsgitter.
• Polarisation.
• Anwendung von Reflexion, Absorption und Transmission.

Wellenausbreitung

• Nach dem Prinzip von Huygens geht von jedem Punkt einer Wellenfront eine Elementarwelle aus, meist in Form von Kugelwellen.
• Die Interferenz dieser Elementarwellen erzeugt die nächste Wellenfront.

Beugung

• Beugungsmuster entstehen, wenn Objekte mit monochromatischem Licht einer punktförmigen Quelle beleuchtet werden.
• Beispiele sind Kreisscheiben, Rasierklingen und Doppelspalte.

Beugung am Einzelspalt: Minimumbedingung

• Die Minimumbedingung für die Beugung am Einzelspalt wird durch die Formel sin αmin = k * (λ / b) beschrieben, wobei k = ±1, ±2, ±3...
• λ ist die Wellenlänge, b die Spaltbreite und α der Beugungswinkel.

Wellenausbreitung Zusammenfassung

• Das Huygenssche Prinzip gilt.
• Auch im Schattenbereich hinter Hindernissen treten Wellenfronten auf.
• Bei schmalen Spalten, im Verhältnis zur Wellenlänge, kommt es zu zusätzlichen Interferenzeffekten, was zu Beugungsbildern führt.

Beugungsgitter

• Beugungsgitter bestehen aus vielen Spalten mit einer Spaltendichte von etwa 105 pro Zentimeter.
• Der typische Spaltenabstand (g) beträgt etwa 0,1 μm und wird als Gitterkonstante bezeichnet.
• Sie erzeugen sehr schmale Maxima.
• Jede Beugungsordnung wird mit k bezeichnet.
• Die Maximumbedingung wird durch die Formel sin αmax = k * (λ / g) beschrieben, wobei k = 0, ±1, ±2, ±3... ist

Beugungsgitter bei nicht-monochromatischem Licht

• Jede Wellenlänge erzeugt einen anderen Winkel αmax und zeigt keine Trennung der Wellenlängen bei k=0 (nullte Ordnung).
• Die Ablenkung ist proportional zur Wellenlänge.

Auflösung von Beugungsgittern

• Das Auflösungsvermögen eines Beugungsgitters wird durch λ/Δλ = k ⋅ N beschrieben.
• N stellt die Gesamtanzahl der Spalte dar.
• k ist die Ordnung.

Polarisation von Licht

• Natürliches Licht schwingt in viele Richtungen.
• Die Polarisation im optischen Sinne wählt eine Schwingungsebene aus.
• Die transmittierte Intensität (Itrans) verhält sich zur einfallenden Intensität (Iein) wie cos² φ.

Polarisation durch Reflexion und Brechung

• Der reflektierte und der gebrochene Strahl stehen senkrecht zueinander.
• Der reflektierte Strahl ist vollständig polarisiert.
• Der Brewster-Winkel αp hängt mit dem Brechzahl n über die Formel tan αp = n zusammen.

Zusammenfassung Polarisation

• Beugungsgitter erzeugen mehrere Beugungsmaxima und eine spektrale Zerlegung, die proportional zur Wellenlänge ist.
• Die spektrale Auflösung ist proportional zur Ordnung und zur Spaltanzahl.
• Polarisatoren filtern bestimmte Schwingungsebenen des Lichts heraus.
• Polarisation kann durch Reflexion, Doppelbrechung und Streuung entstehen.

Anwendung: Reflexion, Absorption und Transmission

• Dieser Abschnitt behandelt, wie Licht an Oberflächen reflektiert, absorbiert und durchgelassen wird.

Reflexion, Transmission und Absorption

• Der Reflexionsgrad (ρ) ist das Verhältnis von reflektierter zu auftreffender Strahlung.
• Der Absorptionsgrad (α) ist das Verhältnis von absorbierter zu auftreffender Strahlung.
• Der Transmissionsgrad (τ) ist das Verhältnis von durchgelassener zu auftreffender Strahlung.
• Es gilt die Beziehung ρ + α + τ = 1.

Absorption

• Absorption ist die Schwächung der Strahlung beim Durchgang durch Materie.
• Die absorbierte Strahlung wandelt sich in Wärme, chemische oder elektrische Energie um oder wird gestreut.
• Die Extinktionskonstante (K) ist eine Materialkonstante.
• Sie ist die Proportionalitätskonstante zwischen eindringender Strahlungsleistung und absorbierter Strahlungsleistung.
• Die Formeln ΔP = K · P1 · Δx und Ptran = P1 · e^(-KΔx) beschreiben die Absorption.

Absorption des Lichtes

Durchsichtigkeit

• Die Durchsichtigkeit eines Körpers hängt vom Verhältnis seiner Dicke (d) zur mittleren Reichweite des Lichts (w) ab.
• Metalle sind beispielsweise bei einer Dicke von etwa 0,01 μm undurchsichtig.

Licht Absorption

• Bei schwacher Absorption gilt: w = 1/K > λ
• Bei Starker Absorption gilt: w = 1/K < λ
• Bei schwach absorbierenden Stoffen sind z.B Wasser ist auch bei dicker Schicht undurchsichtig.
• Bei stark absorbierenden Stoffen z.B. Metalle wir das meiste Licht reflektiert.

Sonnenschutzbeschichtung

• Beschichtungen bestehen aus mehreren Schichten verschiedener Materialien.
• Gezielt werden durch Interferenz in dünnen Schichten und Absorption Wellenlängenbereiche bezüglich Reflexion beeinflusst.

Reflexion, Transmission, Absorption - Zusammenfassung

• Reflexionsgrad + Transmissionsgrad + Absorptionsgrad = 1.
• Absorption beschreibt die Schwächung der elektromagnetischen Welle beim Durchgang durch Materie.