Kapitel 12 Optik 1

12. Optik12.1 Einführung:Lehre vom Licht. Sie gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Frage nach der Natur des Lichts. ( sehr viele Theorien )

Kapitel 12 Optik 2

Newton Huygens

TeilchenTeilchen WelleWelle??

Kapitel 12 Optik 3

Abnahme Beleuchtungsstärke

Kapitel 12 Optik 4

Spiegel

Medium 1

Medium 2

Kapitel 12 Optik 5

xtc

BCBFsin

xtc

ABBEsin

xBCAB

22

11

A B

E

C

F

1

1

2

2

nnn

cc

sinsin

1

2

2

1

2

1

Brechungsgesetz von Snellius

Kapitel 12 Optik 6

James Clerk MAXWELL

Heinrich HERTZ

Feldgleichungen

Kapitel 12 Optik 7

<< d

d

Geometrische Optik

Wellenoptik

Photoeffekt, Comptoneffekt

Photonen „Teilchen“

Kapitel 12 Optik 8

(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 9

12.2 Geometrische Optik

Spiegel

12.2.1 Reflexion und Brechung:Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel:

Die Linse +50 wird etwa 13cm vor der Experimen-tierleuchte aufgestellt. Der Blendenhalter mit Schlitzblende wird der Linse "aufgesetzt".

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: in Grad 10° 20° 30° 50°

' in Grad

Kapitel 12 Optik 10

reflektierter Strahleinfallender StrahlLot

'

Spiegel

Es ist zu erkennen: α = α‘ Reflexionsgesetz (Vgl.Wellenlehre)

Kapitel 12 Optik 11

BrechungsgesetzAufbau wie vorhin.Der Spiegel wir durch einen Plexiglas-Halbzylinder ersetzt. Die gerade Seite schaut zur Lampe. Bringe sie mit der Durchmesser-linie der opt. Scheibe zur Deckung. (Zentrieren!!)

Miss den Brechungswinkel ß und ergänze die Tabelle:

sinsin

in Grad 0 10° 20° 30° 40° 50° 60°

ß in Grad

-

sinsin

Kapitel 12 Optik 12

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.

• Der Quotient ist für alle Winkel .......................................

• Der Mittelwert für beträgt bei diesem Versuch ................. .

sinsin

sinsin

2,1nsinsin

Brechungsgesetz

Dieser Quotient ist eine für die beiden Medien (Luft, Glas) charakteristische Größe und wird als Brechungsindex bezeichnet.2,1n

Kapitel 12 Optik 13

TotalreflexionBeim 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 14

G .... Grenzwinkel der TotalreflexionIst der Einfallswinkel > G , so wird der gesamte Lichtstrahl reflektiert.Er beträgt bei unserem Versuch etwa ...........Daraus lässt sich die Brechzahl bestimmen:

Totalreflexion

Überprüfe rechnerisch: sinG = .........

2,11,2G

G

n1nsin

90sinsin

..................n.................n1...........n 2,1

1,21,2

Kapitel 12 Optik 15

Schülerversuch Lichtbrechung

Linse +50

Linse +100

0 5 25 50Lampe

Kapitel 12 Optik 16

Schülerversuch Lichtbrechung

Kapitel 12 Optik 17

Schülerversuch Lichtbrechung

Lot

Übergang dünneres in dichteres Medium

Kapitel 12 Optik 18

Schülerversuch Lichtbrechung

Übergang dichteres in dünneres Medium

Licht von hier

Kapitel 12 Optik 19

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 20

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 21

12.2.2 Optische LinsenEinteilung:

Sammellinsen oder Konvexlinsen (in der Mitte dicker als am Rand)

Zerstreuungslinsen oder Konkavlinsen (in der Mitte dünner als am Rand)

Kapitel 12 Optik 22

Wovon die Brennweite einer Linse abhängt Linsen

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.

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.

Kapitel 12 Optik 23

Bildkonstruktion für eine Sammellinse:

Parallelstrahl wird zu Brennstrahl gebrochen.

Mittelpunktstrahl geht ungebrochen durch

b ... Bildweite g ... Gegenstandsweitef ... BrennweiteB ... BildgrößeG ... Gegenstandsgröße

FF'G

B

g

f f

b

+L

Kapitel 12 Optik 24

Herleitung der Linsengleichung:

F

F'G

B

g

f f

b

+L

gb

GBV

dsgrößetanGegensBildgrößengVergrößeru

Andererseits ergibt sich aus den ähnlichen Dreiecken:

ffb

gb

ffb

GB

oder : bf = bg - fg Wir dividieren durch bgf

f1

b1

g1

Linsengleichung für Sammellinsen

Kapitel 12 Optik 25

Bestimme im Schülerversuch die Brennweite einer Sammellinse:

b1

g1

g [cm] 40 35 30 25 20 15

b [cm]

G [cm]B [cm]

Ein leuchtender Gegenstand ("L") wird in einem Blenden-halter auf die Experimentier-leuchte aufgesteckt.

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!)

Kapitel 12 Optik 26

Welche Bilder ergeben sich ? g > 2f g < f

g = 2f g = f

f < g < 2f

verkehrt, verkleinert, reell

verkehrt, gleich groß, reell

verkehrt, vergrößert, reell

aufrecht, vergrößert, virtuell

kein Bild

Brechkraft: ist der Kehrwert der Brennweite in Metern. Sie wird in Dioptrien angegeben.

Ein negatives Vorzeichen bedeutet dabei Zerstreuungslinse.

]m[f1D

Kapitel 12 Optik 27

Kapitel 12 Optik 28

Diaprojektor:

KondHohl-spiegel

Kondensor Objektiv

Dia

F'Kond

FObj

F

Gute Ausleuchtung: fObj 2*fKond

Overheadprojektor

Für den Kondensor verendet man eine Fresnellinse.

Kapitel 12 Optik 29

12.3 Spektren

Versuchsaufbau:

SpaltKondensor

Lichtq.

AbbildungslinsePrisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

Kapitel 12 Optik 30

Führe folgende Aufgaben durch:

1. 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)

2. Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab! (Zunächst ohne Prisma) Protokolliere die Abstände!

3. Gib das Prisma zwischen Abbildungslinse und Schirm! Beachte, dass du dabei den Schirm verschieben musst! Wiedervereinigung

4. Schreibe die Beobachtung auf! Wie ist die Anordnung der Farben? Art des Spektrums?Was kannst du über den Brechungsindex des Prismas sagen?

Em

issi

onss

pekt

rum

Kapitel 12 Optik 31

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?

Wiedervereinigung6. 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:

SpaltKondensor

Lichtq.

AbbildungslinsePrisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

Komplementärfarben

Kapitel 12 Optik 32

7. 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.

Absorptionsspektrum

SpaltKondensor

Lichtq.

AbbildungslinsePrisma

Schirm+50 +100

Kreisbl.

Position 2

Position 1

Kapitel 12 Optik 33

Kapitel 12 Optik 34

nach ihrer Entstehung: Emissionsspektren und AbsorptionsspektrenKörper, 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 → AbsorptionsspektrumBeispiele: Weißes Licht durch KMnO4-Lösung : Nur rote und violette Linien sichtbar.Fraunhofersche Linien beim Beobachten des Sonnenspektrums.

12.3.1 Einteilung der Spektren

Kapitel 12 Optik 35

nach ihrem Aufbau: Kontinuierliche Spektren - Linienspektren (Diskontinuierlich)

Ein Linienspektrum enthält die für das entsprechende Element charakteristischen Linien.Gase: liefern ein LinienspektrumFestkörper und Flüssigkeiten, sowie Gase unter sehr hohem Druck liefern ein kontinuierliches Spektrum.

Kapitel 12 Optik 36

Kapitel 12 Optik 37

Kontinuierliches Spektrum

Kapitel 12 Optik 38

Linienspektrum

Kapitel 12 Optik 39

Absorptionsspektrum

Kapitel 12 Optik 40

Sonnenspektrum

Kapitel 12 Optik 41

Genaues Sonnenspektrum

Kapitel 12 Optik 42

OBAFGKM

Sternspektren

EndeEnde

Sternspektren

Kapitel 12 Optik 43

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 EnergieA2: Tropfen eines Wasserhahns, Bezahlen in 1€ - Sprüngen

Kapitel 12 Optik 44

Elektron im Atom

Vgl. Abb. 26.1 Physik compact 7

Grundzustand:

( Zustand geringst- möglicher Energie)

Um welches Atom könnte es sich handeln?

Kapitel 12 Optik 45

Anregung eines Elektrons

Zufuhr von Energie: Stoß, Wärme, Licht, …

Absorption

Kapitel 12 Optik 46

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 gilt für alle Atome.

Kapitel 12 Optik 47

E = E2–E1 = h·f

h=6,63h=6,63··1010–34–34JsJs

Plancksches WirkungsquantumPlancksches Wirkungsquantum

Plancksches Wirkungsquantum

Kapitel 12 Optik 48

h = 6,6 . 10-34Js (Planksches Wirkungsquantum) (Naturkonstante)

E = h·f Energie eines Lichtquants

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 49

Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts:

UV (Ultraviolett) Blau Rot IR (Infrarot)400 nm 800 nm

Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs.

Berechne die Wellenlängen einiger Linien des Wasserstoffs!

Kapitel 12 Optik 50

n=1 Kn=1 K

n=2 Ln=2 L

n=3 Mn=3 M

n=n=EE für H:für H:

––13,6eV13,6eV

––3,4eV3,4eV

––1,5eV1,5eV

Lyman Balmer Paschen BrackettLyman Balmer Paschen Brackett

Termschema

Beispiel: Frequenzspektrum des Wasserstoffs.

Kapitel 12 Optik 51

Grundzustand: - 13,6 eV

1. angeregter Zustand: - 3,39 eV

Energiedifferenz E = 10,21 eV

E = h·f = h·c/

Ech

m1021,1106,121,10

103106,6 719

834

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)

EndeEnde

Kapitel 12 Optik 52

““Light Amplification by Stimulated Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“Emission of Radiation“

(Lichtverstärkung durch angeregte Aussendung von Strahlung)

12.5 Der Laser:

Kapitel 12 Optik 53

Inkohärentes, weißes Licht

Inkohärentes, monochromatisches Licht

Kohärentes Licht

Kapitel 12 Optik 54

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 55

E

Absorption SpontaneEmission

InduzierteEmission

Absorption - Emission

Ein angeregtes Atom gibt Strahlung ab.

Auftreffende Energiequanten veranlassen angeregte

Atome zur Emission von gleichartigen Quanten.

Ein Atom wird durch ein auftreffendes Energie-

quant in einen angeregten Zustand versetzt.

Kapitel 12 Optik 56

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 57

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.

verspiegelte Endfläche

teilweise verspiegelte Endfläche

Kapitel 12 Optik 58

• gleicher Phase (kohärentes Licht)• gleicher Frequenz (monochromatisch) ,

sehr stark gebündelt, weil parallel durch die Reflexion.

• polarisiert wegen des Laserfensters

Dadurch erhalten wir eine gleichartig aufgebaute Lichtwelle mit

Arten von Lasern:

Lies B. (BW 7 S. 31 ff.)

Kapitel 12 Optik 59

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 60

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 61

Halbleiterlaser: für CDs wichtig!

Kapitel 12 Optik 62

Forschung und Forschung und WissenschaftWissenschaft

Medizin Medizin Augen-, Zahnheilkunde, Augen-, Zahnheilkunde,

Operationen, ...Operationen, ...

Show-Show-vorführungenvorführungen

Vermessungs-Vermessungs-techniktechnik

IndustrieIndustrieSchneiden, Bohren, Schneiden, Bohren,

Schweißen, GravierenSchweißen, Gravieren

CD-, DVD-PlayerCD-, DVD-PlayerLaserdruckerLaserdrucker

LiniencodeleserLiniencodeleser

MilitärMilitärLenksysteme, Aufklärung, Lenksysteme, Aufklärung,

ZerstörungZerstörung

HolografieHolografie

EndeEnde

LASERLASER

Kapitel 12 Optik 63

12.5.1 Holographie

ObjektivFotografieBei der herkömmlichen Fotografie wird ein Gegenstand mit Hilfe eines Objektivs in eine Ebene - die Filmebene - abgebildet.

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 64

Aufnahme eines Hologramms:

Laser

Spiegel

Strahlteiler

AufweitungsoptikHologramm

Referenzlicht

Streulicht

SpiegelDie Holografie ist keine Fotografie des Objekts. Bei der Beleuchtung mit kohärentem (!!) Licht werden die vom Gegenstand ausgehenden Licht-wellen mit einem kohärenten Referenz-lichtbündel aus der gleichen Lichtquelle (Strahlungsteilung) 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 Ampli tude des eingestrahlten Lichts.

Kapitel 12 Optik 65

Wiedergabe eines Hologramms:

Hologramm

Hg

Lampe monochrom. Licht

Zur Wiedergabe beleuchtet man das Hologramm mit einem monochro-matischen 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 66

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 67

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 68

Inkohärentes, weißes Licht

Inkohärentes, monochromatisches Licht

Kohärentes Licht

Vgl. Buch BW 7 Abb. 31.1

Kapitel 12 Optik 69

Die Länge eines solchen Wellenzuges bezeichnet man als Kohärenzlänge.Diese beträgt bei weißem Licht einer Glühlampe ca. 10-6mbei 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 70

12.6.1.1 Interferenz an dünnen Schichten:

1. Beleuchtung mit monochro-matischem Licht:

Versuch:

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 wir einen schwarzen Fleck.

Kapitel 12 Optik 71

1

1'

2Luft LuftGlas

Phasensprung1. Reflektiertes Licht:Wir betrachten die Strahlen 1' und 2

Gangunterschied: D = /2 +2d ( d .. Dicke der Wasserschicht)

/2 von der Reflexion am festen Ende

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 72

2. Durchgehendes Licht

Wir betrachten die Strahlen 1'' und 2''D = 2d Es gibt keinen Phasensprung

1

1'

2Luft LuftGlas

1"

2"Verstärkung:

2d = * → d = k∙*/2 k= 0, 1, 2,...

Auslöschung:

2d = */2 → d =(2k+1)∙*/4 k= 0, 1, 2,...

Kapitel 12 Optik 73

12.6.1.2 Optische Vergütung:1 2

a b

Luft

VergütungsschichtGlas

( Aufbringung eines Antireflexbelages)

nL ... Brechungsindex in Luft nV ... Brechungsindex in VergütungsschichtnG ... Brechungsindex in Glas nV < nG

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 sein.n

d

41

Die Strahlen a und b (durchgehendes Licht) verstärken sich.

Kapitel 12 Optik 74

empirisch: so wird an beiden Schichten etwa gleich viel reflektiert.

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

GLV nnn

Auch Mehrschichtbeläge sind möglich

Kapitel 12 Optik 75

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.

Kapitel 12 Optik 76

12.6.2 BeugungVersuch: 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.

Kapitel 12 Optik 77

Kapitel 12 Optik 78

Kapitel 12 Optik 79