Optik

 Optik, Teilgebiet der Physik, das sich mit der Ausbreitung, dem Verhalten und den Möglichkeiten der Beeinflussung des Lichtes befasst. Dabei kann der Begriff „Licht” über das sichtbare Licht hinaus noch andere elektromagnetische Strahlung umfassen, nämlich Strahlung von höherer Frequenz (Ultraviolettstrahlung, Röntgen- und Gammastrahlung) und auch Strahlung von niedrigerer Frequenz (infrarote Strahlung, Mikrowellen und Radiowellen).  In der Lichtwellenleitertechnik kommen als Fasermaterial Glasfasern zum Einsatz. Entscheidend für die Übertragung von Signalen mit Hilfe von Lichtwellen ist die so genannte Totalreflexion.  Erst wenn der Brennpunkt einer konvexen Linse, die den Strahlengang des betrachteten Objekts bricht, genau auf der Netzhaut liegt, entsteht ein vergrößertes und scharfes Abbild auf der Retina.
 
Die Optik lässt sich nach verschiedenen Modellen des Lichtes, die ihr zu Grunde liegen, in folgende Teilgebiete untergliedern: Strahlenoptik (oder geometrische Optik), Wellenoptik und Quantenoptik.

Die Strahlenoptik geht davon aus, dass sich Licht geradlinig, also in Form von Strahlen, fortpflanzt, solange es nicht reflektiert (gespiegelt) oder „gebrochen” wird. Die Konstruktion von ebenen oder vergrößernden Spiegeln (wie etwa in einem Spiegelteleskop) sowie Linsen beruht zunächst auf den Gesetzen der Strahlenoptik (vor allem dem Brechungs- und dem Reflexionsgesetz,  die freilich nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich haben.

Die Wellenoptik nimmt an, Licht sei eine wellenförmige Schwingung des elektromagnetischen Feldes, die den Maxwell’schen Gleichungen gehorcht. Das Brechungs- und das Reflexionsgesetz der Strahlenoptik ergeben sich dann als Spezialfall für ebene Wellen; darüber hinaus kann die Wellentheorie die Polarisations- und Interferenzphänomene erklären, so etwa die Lichtbeugung und Lichtstreuung. Dennoch ist die Wellentheorie nicht völlig korrekt.

Die Quantenoptik wiederum, die nach dem heutigen Stand der Erkenntnis korrekte Theorie des Lichtes, behandelt das Licht nach den Prinzipien der Quantentheorie, die nicht zuletzt anhand des Lichtes entdeckt wurde. Auch hier werden die Maxwell’schen Gleichungen benutzt (und daher rührt die Korrektheit vieler Ergebnisse der Wellenoptik). Aber anders als in der Wellenoptik dienen die Gleichungen von Maxwell in der Quantenoptik als Ausgangsbasis für die Feldoperatoren oder die Quantenmechanik-Wellenfunktion. Die Unterschiede zwischen Quanten- und Wellenoptik treten einerseits bei der Behandlung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie (Lichterzeugung und -absorption, besonders Wärmestrahlung und Laser) zu Tage, andererseits in Fällen mit verschränkter Wellenfunktion, wie bei Mehrteilcheninterferenz und Nichtlokalitätsexperimenten (siehe EPR-Paradoxon).

Anwendungen der Optik finden sich natürlich vor allem bei Geräten und Maschinen, die Licht verarbeiten, wie z. B. bei Photo- und Filmkameras, Mikro- und Teleskopen, Projektoren, Lichtsensoren, Lasern und Lichtleitern. Von besonderer Bedeutung sind u. a. auch die Anwendungen der Optik in der Medizin (z. B. Brillen, innere Medizin etc.).

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 Wir befassen uns hier mit der Strahlen- und Wellenoptik mit Experimenten zu Reflektion, Brechung und Polarisation sowie Farbeffekten:

 

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