Optik: physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen

809 Pages·2003·14.39 MB·English

by  Heinz Haferkorn

Heinz Haferkorn
Optik
Phy sikali sch-techni sche Grundlagen und Anwendungen
bearbeitete und erweiterte Auflage
4.,
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Heinz Haferkorn
Optik
Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen
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Heinz Haferkorn
Optik
Phy sikali sch-techni sche Grundlagen und Anwendungen
bearbeitete und erweiterte Auflage
4.,
Autor:
Prof. Dr. Heinz Haferkom. em.
Technischc Universitiit llmenau
Das vorlicgende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet. Dennoch uhemehmen Autor und Verlag fur die Richtigkeit
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ISBN 3-527-40372-8
0 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim
Gedruckt auf slurefreiem Papier.
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Satz: Manuela Treindl. I.aaher (ah Kapitel 7)
Druck: Druckerei Lokay, Reinhcim
Bindung: Litgeh & Dopf GmbH. Hcppenheim
Vorwort zur 4. Auflage
Nachdem die 3. Auflage des Bandes Optik vergriffen ist und umfangreiche Recherchen sowie
Nachfragen von Fachkollegen einen weiteren Bedad erwarten lassen, hat sich der Verlag zur
Herausgabe einer weiteren Auflage entschlossen. Der Inhalt der 3. Auflage stellt auch heute noch
ein solides Fundament fur die Beschaftigung mit der Optik dar, wenn auch an einigen wenigen
Stellen manuelle oder grafische Methoden behandelt werden, die durch den Einsatz des Compu-
ters an Bedeutung verloren haben (z. B. bei der Prismendimensionierung).
Deshalb war es naheliegend, den bisherigen Inhalt beizubehalten und durch einige weiterfuh-
rende oder aktuelle Abschnitte zu erganzen (Kapitel7). Dabei muate aus Pbtzgriinden teilweise
die umfassende theoretische Darstellung gegenuber verbalen Aussagen zuriickstehen. Fur ge-
ringfugige Uberschneidungen zwischen dem bisherigen Text und dem Text des Kapitels 7 bittet
der Autor um Entschuldigung.
Zu besonderem Dank ist der Autor dem Verlagsleiter Physik des Wiley-VCH, Dr. Alexander
Grossmann, verpflichtet. Seine positive Einschatzung des Buches und sein Optimismus fur eine
erfolgreiche Weiterfuhrung haben diese Auflage ermoglicht. Der Autor bedankt sich ebenfalls
bei den Mitarbeitern des Verlages, die zum Gelingen des Vorhabens beigetragen haben. In diesen
Dank sollen auch die Mitarbeiter der Verlage einbezogen werden, die die vorangegangenen Auf-
lagen bearbeitet haben.
Hinweise zur Verbesserung des Buches oder zu vielleicht noch vorhandenen Fehlern nimmt
der Autor stets gem entgegen.
Ilmenau, im Juli 2002 Heinz Haferkorn
Vorwort zur 3. Auflage
Die erste Auflage des Buches ,,Optik" beruhte auf den langjahrigen Lehr- und Forschungs-
erfahrungen am Lehrstuhl fur Technische Optik der Technischen Hochschule Ilmenau und loste
die von mir zum internen Gebrauch herausgegebenen Lehrbriefe ab. Aufgrund des erfreulichen
Interesses, das meinem Buch entgegengebracht wurde, machte sich nach kurzer zeit eine zweite
Auflage notwendig. Die vorliegende dritte Auflage wurde griindlich uberarbeitet und wesentlich
erweitert.
Die Aufgabe dieses Buches sol1 darin bestehen, das spezifische physikalische Grundlagen-
wissen aufzufrischen und zu ergbzen, die Voraussetzungen fiir die Beschaftigung mit den Spezial-
gebieten zu schaffen sowie Unterstutzung bei der praktischen Anwendung der Optik zu geben.
Deshalb galt es, bei einem vertretbaren Umfang des Buches die Funktion eines Lehrbuches mit
h Vorwort zur 3. Auflace
der eines Nachschlagewerkes zu vereinen, d. h. ein ausgewogenes Verhaltnis von methodischem
Rustzeug und praktisch notwendigen Kenntnissen uber grundlegende optische Elemente zu fin-
den sowie die Wechselbeziehungen zwischen den physikalischen und den technischen Aspekten
zu erfassen. Daraus ergibt sich auch, dalJ kein Platz fur Ubungsaufgaben und Angaben uber
kommerzielle Gerlte vorhanden ist. Wahrend in einigen Abschnitten uber den Stoff der
Grundlagenvorlesung hinausgegangen wird, muBte auf Teilgebiete der Spezialausbildung in Tech-
nischer Optik bzw. Physik verzichtet werden. So wurden vor allem die systematische Theorie der
optischen Abbildung einschlieBlich der Bewertung und Synthese optischer Systeme, die opti-
sche MeBtechnik, die Spektroskopie, die Holographie, die integrierte Optik und die Laserphysik
nur eingeschrankt dargeboten. Es sind aber in der dritten Auflage Teilgebiete umfassender als in
der ersten Auflage sowie zahlreiche neuere Entwicklungen enthalten. Das betrifft vorrangig die
Strahlungsphysik, Strahlungsquellen und -empfanger, die die Ab-
Laserbundel-Transformation,
bildung mit inhomogenen Elementen, die diinnen Schichten, die nichtlineare Optik, die adaptive
Optik sowie die optischen Systeme. Das Literaturverzeichnis wurde erweitert, und einige farbige
Abbildungen konnten eingefugt werden.
Besonders ausfuhrlich wurden solche Gebiete behandelt, die erfahrungsgemd3 in der Ausbil-
dung grol3ere Schwierigkeiten bereiten. Wert gelegt wird auf exakte Definitionen und auf eine
solide Darstellung der klassischen technischen Optik, die in manchen Lehrbuchern in den Hin-
tergrund gedrangt wird. Der Autor vertritt die Meinung, daB es auch fur das Verstandnis und die
Weiterentwicklung der vielfaltig vorliegenden Computer-Software notwendig ist, die optischen
Grundlagen zu behemschen. Es kann nicht die Aufgabe von Hochschulabsolventen sein, nur
vorgegebene Gleichungen rezeptmaBig abzuarbeiten. Deshalb wird groBer Wert auf die Ablei-
tung der Zusammenhange gelegt.
Die Darstellungsweise ist vorwiegend dem Lehrbuchcharakter angepaBt. Ein Teil der Ablei-
tungen vnn Gleichungen ist aus dem Text herausgeliist und in Tabellen zusammengefalJt worden,
meistens in Form von FluObildem. Dadurch sol1 die Ubersichtlichkeit beim Nachschlagen erhoht
werden. Grundlagenkenntnisse in Mathematik und Physik werden vorausgesetzt.
Die'Formelzeichen und Vorzeichenregeln der Technischen Optik werden konsequent nach
den in Abschnitt 1.2 angegebenen Grundsatzen benutzt. Da Buchstaben mehrfach verwendet
werden mussen, wird die Bedeutung jeweils in den einzelnen Abschnitten erklart.
An der Erarbeitung und Lehrerprobung des Stoffes uber viele Jahre hinweg haben die Mitar-
beiter des Lehrstuhls fur Technische Optik der Technischen Hochschule Ilmenau Anteil. lhnen
gilt deshalb an dieser Stelle besonderer Dank. Fur wertvolle Hinweise bedanke ich mich bei den
Herren Professoren J. Klebe (Potsdam), B. Wilhelmi (Jena) und J. R. Meyer-Arendt (Oregon,
USA).
Dem Verlag bin ich sehr dankbar fur die Moglichkeit, nach vielen zeitbedingten Problemen
die dritte Autlage auf den Markt bringen xu konnen. SchlieBlich habe ich den Lektorinnen Frau
Erika Amdt und Frau Brigitte Mai fur die Unterstutzung bei der Realisierung und die gute Zu-
sammenarbeit zu danken. Eingeschlossen in diesen Dank sind alle, die an der technischen Her-
stellung Anteil haben. insbesondere Herr und Frau Ritter (Berlin) fur die ausgezeichnete Umset-
zung des Manuskripts in die Reprovorlage.
Zum SchluB mochte ich die Hoffnung ausdrucken, daB moglichst viele Studierende und Fach-
kollegen das Buch positiv aufnehmen mogen und daraus Nutzen ziehen konnen. Hinweise zur
Verbesserung nimmt der Autor jederzeit dankbar entgegen.
Ilmenau, im Februar 1994 Heinz Haferkorn
1 Einleitung I1 2.4.4 Raumliche Koharenz bei spon-
taner Emission 102
1.1 Arbeitsgebiet Optik I 2.4.5 Kohbenz bei induzierter
1.1.1 Sichtbares Licht I1 Emission i08
1.1.2 Das elektromagnetische Spektrum 13
Interferenz 1 I8
1.1.3 Lichtquanten 14 2.5
1.1.4 Gliederung und Entwicklung 2.5.1 Amplituden und Phasendifferen-
des Arbeitsgebietes 16 zen an der planparallelen Platte 1 I8
2.5.2 Intensitaten an der planparallelen
1.2 Bezeichnungsgrundsatze 18 Platte 121
I .2. I Formelzeichen 18 2.5.3 Interferenzerscheinungen an
I .2.2 Vorzeichenregeln 20 planparallelen Platten 125
2.5.4 an
lnterferenzerscheinungen
2 Physikalische Grundlagen 23 keilformigen Platten 129
2.5.5 Weitere Interferenzerscheinungen 132
2.1 Lichtwellen und -strahlen 23
2.1.1 Elektromagnetische Wellen 23 Beugung 134
2.1.2 Polarisationsarten 29 2.6.1 Mathematische Fassung des
2.1.3 Huygenssches Prinzip 34 Huygensschen Prinzips 134
2. I .4 Lichtstrahlen 35 2.6.2 Fraunhofersche Beugung
2.1 .5 Fermatsches Prinzip 31 am Rechteck 138
2.6.3 Fraunhofersche Beugung
2.2 Reflexion und Brechung 39 am Kreis 143
2.2.1 Brechungsgesetz 39 2.6.4 Beugung am Liniengitter 146
2.2.2 Reflexionsgesetz 44 2.6.5 Fresnelsche Beugung an der
2.2.3 Polarisation durch Reflexion Kante 153
und Brechung 46
2.2.4 Totalreflexion 53 2.7 Abbildung 156
2.2.5 Doppelbrechung 57 2.7.1 Optische Abbildung 156
2.7.2 Ideale geometrisch-optische
2.3 Dispersion und Absorption 64 Abbildung 159
2.3.1 Absorption 64 2.7.3 Geometrisch-optische Abbildung 161
2.3.2 Dispersion 72 2.7.4 Wellenoptische Abbildung 162
2.3.3 Werkstoffe 15
3 Strahlungsphysik
2.4 Koharenz 84
und Lichttechnik 164
2.4. I Spontane und induzierte Emission 84
2.4.2 Interferenzanteile der Intensitat 87 3.1 Strahlungsphysikalische GroRen 164
2.4.3 Zeitliche Koharenz bei sponta- 3.1.1 StrahlungsfluB 164
ner Emission 93 3.1.2 Strahlstarke I68