Ausgewhlte Kapitel der Physik Optik Geometrische Optik 1262022

Ausgewählte Kapitel der Physik Optik Geometrische Optik 1/26/2022

Optik • • Lichtstrahlen Schatten Reflexion Brechung ------Polarisation Strahlengang in optischen Geräten 1/26/2022

Optik • Lichtstrahlen Sind divergent, konvergent oder diffus • Schatten Gelten als Beweis für die gradlinige Ausbreitung von Licht Punktförmige Quelle: Kernschatten Ausgedehnte Quelle: Halbschatten und Kernschatten. Was ist Licht? Lichtquanten? Wie schnell fliegen sie? Seit 1983 gilt c 0 =299792458 m/s universelle Konstante, unabhängig von der Farbe der Strahlung (= Frequenz). c ist in allen Medien kleiner als im Vakuum. 1/26/2022

Optik • Reflexion • Alle Winkel werden zum Lot gemessen • Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene • Einfallswinkel des Strahls = Ausfallswinkel des Strahls 1/26/2022

Optik • Ebener Spiegel • • Der ebene Spiegel erzeugt virtuelle = scheinbare Bilder Die Bilder liegen symmetrisch mit dem Gegenstand zum Spiegel. • Man hat den Eindruck, dass die Bilder von einem Punkt hinter dem Spiegel kommen. • (Welche Eigenschaften muss ein Spiegel haben, damit er gut spiegelt? ) 1/26/2022

Optik • Hohlspiegel (konkav, cave= Höhle) • • Hohlspiegel kugelig: „Sphärische Spiegel“ Hohlspiegel paraboloid: „Parabolspiegel“ • Parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen werden im Brennpunkt gesammelt • Scheitel (S)– Brennpunkt (F) = Brennweite f • (F) liegt in der Mitte zwischen (M) und (S) • Bei sphärischen Spiegeln gehen nur 1/26/2022 die achsennahen Parallelstrahlen

Optik • Hohlspiegel (konkav, cave= Höhle) • Die Gleichungen gelten nur für achsennahe Strahlen • • Reelle Bilder sind stets verkehrt Virtuelle Bilder sind aufrecht • Reelle Bilder können auf einem Schirm aufgefangen werden, virtuelle nicht • Spiegelteleskope verwenden Hohlspiegel Scheinwerfer positionieren die Lichtquelle im. Spiegel Brennpunkt Für konvexe gelten ebenso die Reflexionsregeln, allerdings sind Parallelstrahlbündel Bilder, die hinter dem Spiegel entstehen stets virtuell, aufrecht und • verkleinert. 1/26/2022

Optik Reflexion und Brechung nach dem Prinzip von Fermat 1/26/2022

Optik • Lichtbrechung beim Übergang zwischen unterschiedlichen Medien 1/26/2022

Optik Grenzwinkel der Totalreflexion Die Weg des Lichtstrahls kann auch in der umgekehrten Richtung durchlaufen werden: Der Strahl kommt aus dem Wasser zur Oberfläche. Wenn der Winkel klein genug ist, wird der Strahl teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen. Wird der Winkel jedoch größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion, dann tritt kein Strahl mehr durch die Oberfläche, alles wird reflektiert. Für den Grenzwinkel αG verläuft der aus dem optisch dichteren Medium austretende Strahl unter 90° zum Lot, er verläuft in der Grenzschicht. Die Brechzahlen nik sind die Faktoren, um die das Licht im einen Medium langsamer ist als im anderen. 1/26/2022

Brechung im Wellenbild Eine andere Erklärung für die Brechung folgt aus der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in den einzelnen Medien. Nach Huygens wird jeder von der Wellen zum Mitschwingen angeregte Ort zum Ausgangspunkt einer eigenen Elementarwelle. Diese bilden in ihrer Gesamtheit die Wellenfronten. Lichtstrahlen stehen senkrecht auf den Wellen-Fronten. Eine langsamere Ausbreitung im angrenzenden Medium führt 1/26/2022 zu einer Annäherung an die Optik

Optik Grenzwinkel der Totalreflexion Ein spezieller Fall liegt vor, wenn der Übergang von einem Material zum anderen allmählich erfolgt. Der Lichtstrahl wird in kleinen Schritten „gebrochen“. Der Brechungsindex ändert sich nicht schlagartig an einer Grenzfläche, sondern graduell. Solche Fälle liegen bei Gradientenindex. Lichtwellenleitern vor. 1/26/2022

Optik Aus dem Grenzwinkel der Totalreflexion leitet man den Öffnungswinkel des Kegels für die Aufnahme von Lichtstrahlen an der Stirnfläche des LWL ab. Numerische Apertur „NA“. 1/26/2022

Optik • LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel 1/26/2022

Optik LWL-Herstellung mit „Chemical Vapour Deposition“ (CVD) 1/26/2022

Optik • LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel 1/26/2022

Optik • LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel (1992) 1/26/2022

Optik 1/26/2022

Optik • Dispersion der Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen Der Brechungsindex ist keine Konstante, er hängt u. A. von der Wellenlänge ab. Unterschiedliche Farben (bzw. Wellenlängen) werden unterschiedlich abgelenkt. Bei „normaler Dispersion“, hat Violett den größeren Brechungsindex, es wird daher am stärker gebrochen, Rot dagegen am wenigsten. Die Farben des ursprünglich weißen Strahls laufen unterschiedlich schnell, ein weißer Rechteckpuls läuft auseinander. 1/26/2022

Optik Dispersion der Strahlen mit verschiedenen Wegen im LWL Besonders bei den Stufenindex. Fasern kann man unterschiedliche Wegstrecken im Strahlenbild erkennen. Die Strahlenbündel werden Moden genannt. Der maximale Unterschied in der Laufzeit tritt auf, wenn der mittlere, gerade Strahl und der extremste Zick-Zack Strahlengang betrachtet wird. (Größenordnung: ns / km) Der Zeitunterschied Dt = (n. K-n. M)*L/c 0 wird mit zunehmender Faserlänge immer größer. Die Stufenindexfaser ist für den Signaltransport über große Längen schlechter geeignet als beispielsweise eine Gradientenindex-Faser. Wird der LWL bis auf die Größenordnung der Wellenlänge verkleinert, so bleibt letztlich nur die mittlere Mode erhalten „Monomode-Faser“ (ca. 5µm Durchm. ) 1/26/2022

Optik Dispersion 1/26/2022