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Strahlen-/Teilchenmodell: Strahlenmodell/Teilchenmodell erklärt viele Dinge, aber manche Sachen können nur mit dem Wellenmodell beschrieben werden, manchmal müssen Wellen- und
Teilcheneigenschaften des Lichts berücksichtigt werden, dies erfordert das Quantenmodell
Licht als elektromagnetische Welle: Licht ist vektorielle Welle (nicht wie Schall skalar), Vektor des elektrischen und Vektor des magnetischen Felds stehen immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (transversale Welle),
jedoch wird \(B\)-Feld durch \(E\)-Feld fest bestimmt, d. h. man kann sich auf \(E\)-Feld konzentrieren, Licht wird letztlich durch die vier Parameter Amplitude (proportional zur Wurzel der Lichtintensität),
Wellenlänge (als Maß für die „Farbe“), Phase und Polarisation beschrieben
Zusammenhang Wellen-/Strahlenmodell: Lichtstrahlen stehen senkrecht auf den Wellenfronten (Flächen konstanter Phase), Wellenfronten stehen senkrecht auf den Lichtstrahlen, Kugelwelle/ebene Welle
Interferenz: Superposition (Addition) von Wellen
Seifenblase: Licht wird einerseits direkt an Oberfläche reflektiert, andererseits an der Unterseite (Innenseite) der Seifenhaut reflektiert, beide Lichtanteile überlagern sich (interferieren), führt
zu Abschwächung oder Verstärkung bestimmter Spektralanteile, unterschiedlicher Blickwinkel führt zu unterschiedlichem Farbeindruck
Lichtdetektoren: detektieren das zeitliche Mittel der Intensität (Amplitude im Quadrat)
konstruktive/destruktive Interferenz: je nach Phasenverschiebung überlagern sich die Wellen konstruktiv (verstärken sich) oder destruktiv (löschen sich annähernd aus)
kurz vor dem Zerplatzen wird Seifenblase schwarz: Dicke geht gegen \(0\), nur noch destruktive Interferenz möglich (Phasensprung von \(\pi \))
Perlen, Perlmutt usw.: schillert wegen Interferenz (Schichten aus Aragonit und Beugung an der feinen regelmäßigen Oberflächenstruktur), analog Interfenzpigmente in Lacken, Ölfilm auf
Straße, Antireflexbeschichtung von entspiegelnden Gläser (destruktive Interferenz unterdrückt Reflexionen)
leuchtende Augen: Interferenzspiegel erhöhen Lichtempfindlichkeit von Augen nachtaktiver Tiere (Katzen, Hunde, Wale, Pferde usw.)
Schmetterlinge: komplizierte Interferenzeffekte an Schichtsystemen, teilweise auch mit Beugung und Streuung (zur Tarnung, Verwirrung der Gegner oder Partnersuche)
Holografie: Problem beim konventionellen Foto ist, dass die Richtung des einfallenden Lichts nicht aufgezeichnet wird, damit ist ein Umrunden der Szene nicht möglich, bei der Holografie wird
zusätzlich zum üblichen Foto die Phase der Wellenfront aufgezeichnet, aus der die ursprüngliche Welle rekonstruiert werden kann
holografische Projektoren: wie R2-D2 in Star Wars, würden nicht funktionieren, da Licht sich geradlinig ausbreitet
Beugung: Überlagerung von vielen Wellen, geschieht aufgrund folgender Eigenschaften des Lichts: Licht breitet sich nur näherungsweise geradlinig aus (Lichtstrahl hat endliche Breite und Divergenz),
Fokussierung nur auf Lichtfleck von der Größe der halben Wellenlänge möglich, fällt Licht auf kleine Begrenzung, dann wird es gebeugt, d. h. das Licht fächert sich auf,
wird das gebeugte Licht mit Schirm sichtbar gemacht, so gibt es Stellen mit lokalen Intensitätsmaxima und Stellen mit Intensität \(0\) (Verteilung hängt ab von Wellenlänge, Begrenzung und
Abstand des Schirms von Begrenzung), an feinen Gittern wird das Licht aufgespaltet in eine Ebene senkrecht zur Gitterorientierung (Anwendung bei Schmetterlingen oder Geldscheinen), Inferferenz tritt nur auf, falls intereferiende
Lichtanteile zueinander kohärent sind, Kohärenzlänge = wie stark variieren unterschiedliche Wege von der Lichtquelle bis zum Beobachtungspunkt in der (optischen) Länge, ohne dass
Interferenzfähigkeit verloren geht (Sonne: wenige Mikrometer, Laser: mehrere Kilometer)
Poissonscher Fleck: helle Stelle im Zentrum eines Schattenbereichs
Wellenausbreitung in der Nähe von Hindernissen: einfallendes Licht führt zu Anregung vieler kleiner Kugelwellen, die sich dann weiter ausbreiten
Beugung/Streuung: was ist der Unterschied? Frage falsch, da es nur eine Wechselwirkung des Lichts mit dem Objekt gibt, Beugung und Streuung sind nur Modelle zur näherungsweisen Beschreibung
der Auswirkung
Spalt/Doppelspalt/Mehrfachspalt/Gitter: punktförmige, helle Lichtquelle (Halogenbirne/LED) durch dünnen Spalt betrachten, Resultat ist farbiger Streifen mit Maxima und Minima (statt
punktförmiger Quelle), auch mit engmaschigem Giter möglich (sehr feine Gardinen, Strumpfhosen, Regenschirme, Vogelfeder)
Fraunhofer-Beugung: vereinfachte mathematische Beschreibung der Beugung für große Abstände (Schirm idealerweise unendlich weit entfernt aufgestellt),
Begründung der Beugungserscheinungen mit konstruktiver bzw. destruktiver Interferenz der von den Spalten ausgesandten Kugelwellen
beugungsbegrenzte Auflösung: \(r_A = 1.22 \lambda K\) mit der Blendenzahl \(K = \frac {f’}{D}\) (\(f’\) Brennweite und \(D\) Durchmesser der Eintrittspupille der Optik, bei Einzellinsensystem ist
dies der Linsendurchbesser), zwei Objektpunkte, deren Bilder gerade noch um \(r_A\) separiert liegen, werden noch als getrennte Punkt wahrgenommen, \(K\) kann nicht beliebig klein gemacht werden, maximal kann eine
Auflösung von ca. \(\lambda /2\) erzielt werden (Rayleighsche Auflösungsgrenze), hinzu kommen Fehler des optischen Systems/in der Fokussierung, die die Auflösung verringern
Spionagesatellit: um Nummernschilder aus dem Weltraum zu erkennen, müsste das optische System einen Durchmesser von \(\SI {8.1}{\meter }\) besitzen, also nicht möglich, zusätzlich
kommen Wolken und Abberationen aufgrund Atmosphäre
ärgerlicher Mann/neutrale Frau: begrenzte Auflösung optischer Abbildungen führt dazu, dass hohe Frequenzen eines Objekts (feine Strukturen) aus großen Entfernungen nicht mehr
gesehen werden können
Korona: farbige Ringmuster um Lichtquelle aufgrund der Beugung an kleinen Objekten (z. B. Wassertropfen), dünne Wolken oder Nebel zwischen Sonne oder Mond, inkohärente
Überlagerung der an verschiedenen Tropfen gebeugten Wellen, falls alle Tropfen eine ähnliche Größe haben, Tropfen haben aufgrund des Babinet-Prinzips die Wirkung einer Ringblende mit demselben
Durchmesser, daher Ringmuster (mehr oder weniger rotierte Spaltbeugungsfunktion), für ausgedehnte Lichtquelle ergibt sich für jeden Punkt der Lichtquelle ein farbiges Ringmuster mit Rot außen,
Überlagerung ergibt auf der Fläche der Lichtquelle Weiß, aber am Rand heben sich die Farben nicht komplett weg, sodass ein farbiges Ringmuster um die Lichtquelle beobachtbar ist, sind Wolken zu dick,
dominieren Mehrfachstreuungen und Effekt ist nicht beobachtbar
Babinet-Prinzip: Beugungsmuster einer Blende entspricht (weitgehend) dem
Beugungsmuster der inversen Blende
Pollenkorona: Korona analog auch an Eiskristallen oder Pollen möglich, oder einfach in Dunkelheit auf starke Lichtquelle (Autoscheinwerfer) schauen, Beugung an kleinen Unregelmäßigkeit in der
Hornhaut (ciliare Korona), oder durch leicht beschlagene Scheibe
Glorie: Korona aufgrund von rückgestreutem Licht durch Wassertropfen, ähnliches Beugungsmuster, wird am besten aus vom Flugzeug aus beobachtet, zeigt sich in Richtung des eigenen Schattens,
somit kann man daraus ermitteln, wo man im Flugzeug sitzt
irisierende Wolken: kurze Koronasegmente, analog Entstehung durch Beugung an Wassertropfen oder Eiskristallen, aber Ringstruktur nicht sichtbar, da nur ein Teil des Ringbereichs mit passenden Partikeln bedeckt ist
(oder Größe der Streuer variieren, dann entstehen komplexere Farbmuster), findet sich oft am Rand von Wolken (breite Größenverteilung der Wassertröpfchen bei geringer mittlerer Größe,
Wolke dünn, d. h. kaum Mehrfachstreuung), bei großen Winkelabstand von der Sonne sind in der Regel Eiskristalle verantwortlich, denn Wasertropfen ergeben nur nach vorne und hinten starke Intensität
überzählige Bögen: Interferenzeffekte beim Regenbogen, da an unterschiedlichen Positionen einfallende Strahlen in einen Tropfen unter demselben Winkel wieder austreten und daher
interferieren können, treten vor allem dann auf, wenn alle Tropfen ungefähr die gleiche Größe haben (sonst Verschmierung der Maxima), Maxima in der Nähe der Haupt- und
Nebenbögen
Nebelbogen: breite Beugungsbögen für jeder Wellenlänge, Überlagerung aller Farben
Michelson-Interferometer: von links Lichtstrahl auf halbdurchlässigen Spiegel, nach oben bzw. rechts zu Spiegel, dann wieder zurück auf
halbdurchlässigen Spiegel, Hälfte des Lichts wird nach unten geschickt zu einem Detektor,
bei exakt gleichem Weg ist konstruktive Interferenz vorhanden,
bei um \(\lambda /4\) vergrößertem Abstand ist destruktive Interferenz vorhanden,
Grundlage für Entfernungsmessung mittels Optik (Interferometrie)
Kohärenz: bei inkohärenten Lichtquellen gibt es keine unendlich ausgedehnten Kosinusschwingungen, sondern relativ kurze Wellenpakete (z. B. mit Länge \(\SI {5}{\micro
\meter }\)), aber sehr schnell hintereinander, Wellenpakete haben keine Beziehung zueinander
Kohärenz und Interferenz: wird Länge beim Interferometer um \(\SI {1}{\milli \meter }\) verstellt, dann verschwindet Interferenz, da viele unterschiedliche Überlagerungen von
Wellenpaketen stattfinden (mal konstruktiv, mal destruktiv), im zeitlichen Mittel verschwindet der Interferenzterm, Argumentation bricht zusammen, wenn Wegdifferenz kleiner als Wellenpaketlänge ist, hier gibt es lauter
Überlagerungen von Wellen mit derselben Phasendifferenz
Kohärenzlänge/-zeit: räumliche/zeitliche Wellenpaketlänge, spektral schmalbandige
Lichtquellen (Laser) haben große Kohärenzlängen, Sonne dagegen nur wenige \(\si {\micro \meter }\)
Speckles: raue Oberfläche wird mit kohärentem Licht beleuchtet (Laser), dann gehen von der Oberfläche viele Kugelwellen mit zufälliger Phase aus, Resultat auf Netzhaut ist
zufällige Interferenz, Voraussetzungen sind Unebenheiten kleiner Kohärenzlänge (aber nicht zu klein, sonst kaum Interferenz)
Funktionsweise eines Lasers: stimulierte Emission, ankommendes Licht regt andere Atome an, ebenfalls Licht auszusenden (sogar gleichphaseig), in sich kohärenter Wellenzug wird länger,
zusätzliche Spiegel sorgen dafür, dass das Rohr nicht zu lang sein muss
warum sind Laser so gefährlich: Leistung konzentriert auf einen kleinen Punkt (im Gegensatz z. B. zur Glühbirne) und Lichtquelle hat eine sehr geringe Ausdehnung (annäherend
punktförmig), sodass die Lichtquelle auf einen kleinen Punkt in der Netzhaut abgebildet wird