Vorwort
Das vorliegende Lehrbuch „Optik.
Lichtstrahlen, Wellen,
Photonen“ richtet sich an Studierende der Natur- und
Ingenieurwissenschaften.
Es ist von Umfang und Anspruch her gut für eine einsemestrige
Einführung der
Optik im Rahmen der Bachelorausbildung geeignet. Das Buch kann aber
auch immer
dann eingesetzt werden, wenn Naturwissenschaftler oder Ingenieure
dieses
wichtige Gebiet vertiefen wollen.
In der Physikausbildung ist die Optik
unverzichtbarer
Bestandteil eines grundlegenden Experimentalphysikkurses. Die moderne
Optik
vermittelt den Übergang zwischen der klassischen Elektrodynamik und der
Atomphysik und stellt ein Gebiet vor, das die heutige Physik
nachdrücklich geprägt
hat und das aus der modernen Technik nicht mehr wegzudenken ist. In
diesen Teil
des Studiums fällt eine ganz wesentliche Erweiterung der
naturwissenschaftlichen Denkweise: Während man in der klassischen
Physik noch
von einer vollständigen Beschreibbarkeit eines physikalischen Systems
ausgehen
konnte, die für sehr einfache Systeme eine deterministische
Vorhersagbarkeit
von Vorgängen ermöglicht, werden in der Quantenphysik
Wahrscheinlichkeiten
wichtig, die keine eindeutigen Vorhersagen mehr erlauben. Diese
Erweiterung der
Denkweise kann auf natürliche Weise im Zusammenhang mit der Optik
erreicht
werden, da gerade von der Optik die wesentlichen Anstöße für die
Entwicklung
der Quantenphysik gegeben wurden. Im vorliegenden Buch wird deshalb
neben der
rein klassischen Behandlung der Optik gerade auch dieser Übergang zur
Quantenphysik des Lichtes vorgestellt.
Die verschiedenen
Beschreibungsformen der Natur des Lichtes kommen im Buch zum Einsatz.
Wir
werden zunächst in Kapitel 2 – in Anlehnung an die Elektrodynamik –
Licht als elektromagnetische Welle behandeln und hier für die
Beschreibung im
Wesentlichen den Vektor E des
elektrischen Feldes verwenden. Daneben wird die Lichtintensität I und der Wellenvektor k des Lichtes eine
wichtige Rolle
spielen. In diesem Zusammenhang werden die wichtigsten
Gesetzmäßigkeiten der
Optik aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet. Direkte Anwendungen
werden die
Beschreibung der Farbe von Gegenständen oder die Lichtausbreitung in
Glasfasern
sein. In Kapitel 3 wird auf die stark vereinfachende Behandlung des
Lichtes im
Rahmen der geometrischen Optik eingegangen. Hier werden wir mit dem
Begriff des
Lichtstrahls einfache Abbildungen und verschiedene klassische optische
Instrumente behandeln. In Kapitel 4 folgen dann spezielle Probleme der
Wellenoptik: Interferenz, Beugung und Polarisation. Begriffe wie
Bildentstehung, Auflösungsvermögen, Holografie und Fourier-Optik werden
hier zu aktuellen modernen Anwendungen führen. In Kapitel 5 werden,
beginnend
mit dem Photoeffekt diejenigen Phänomene
vorgestellt,
bei denen die Quantennatur des Lichtes eine wichtige Rolle spielt. In
diesem
Zusammenhang werden wir auf die Erzeugung und Detektion von Licht
eingehen und
dabei einen kurzen Überblick über den Laser als einer der wichtigsten
modernen
Lichtquellen geben.
Einige Kapitel des Buches wurden mit
Symbolen
gekennzeichnet, damit das erste Einarbeiten in die Optik beschleunigt
werden
kann. Mit * haben wir Themen mit starkem Anwendungsbezug bezeichnet.
Abschnitte, in denen umfangreiche theoretisch mathematische Ableitungen
präsentiert
werden und die beim ersten Lesen übergangen werden können, sind mit **
markiert.
Im Bereich der Optik haben sich in der
Vergangenheit eine
Reihe von verschiedenen Bezeichnungsweisen und Vorzeichenkonventionen
eingebürgert.
Von Seiten der Physik-Lehre verwendet man dabei oft intuitive Symbole
und
Vorzeichenkonventionen, die historisch gewachsen sind. Diese werden im
Allgemeinen auch in der englischsprachigen Literatur eingesetzt. Auf
der
anderen Seite haben sich im Rahmen der umfangreichen technischen
Anwendungen
systematische Bezeichnungsregeln und Vorzeichenkonventionen entwickelt,
die
beim täglichen Umgang mit der Optik Missverständnisse und Fehler
vermeiden
lassen. Diese sind z.B. in DIN 1335 formuliert und werden in vielen
Büchern der
technischen Optik eingesetzt. Für das vorliegende Lehrbuch haben wir
uns jedoch
nach längerer Diskussion dazu entschieden, die Bezeichnungen der
physikalischen
Lehrbücher einzusetzen. Wir gehen davon aus, dass das intuitive
Erfassen der
physikalischen Grundlagen damit erleichtert wird. Auch kann man
erwarten, dass
der Übergang zu den Bezeichnungsregeln der technischen Optik ohne
Probleme möglich
ist.