ZUKUNFT LICHT — Wie wird aus Licht Zukunft?

Das Wort Optik kommt aus dem griechischen optike „Lehre vom Sichtbaren“, optiko „zum Sehen gehörig“, zu opsis „das Sehen“, und  ist ein Bereich der Physik, der sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie, insbesondere im Zusammenhang mit optischen Abbildungen, beschäftigt. Optik wird oftmals auch als ,,Lehre des Lichtes “ bezeichnet.

In der Regel wird der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen ca. 380nm und 780nm als Licht benannt (siehe Abb.1). Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichtes. Dies ermöglicht eine Übertragung der Erkenntnisse der klassischen Optik auf andere Spektralbereiche wie Röntgenstrahlung bis hin zu Mikro- und Funkwellen.           Abb. 1

Die klassische Optik besteht aus einem Problemfeld: die Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik, welche für den Fall gelten, dass die Abmessungen des optischen Systems sehr groß gegenüber der Wellenlänge des Lichtes sind.

Geometrische Optik:

Die geometrische Optik auch Strahlenoptik genannt, ist eine Näherung der Optik, in der die Welleneigenschaften des Lichtes keine Rolle spielen. Dies ist so, weil in der geometrischen Optik die wechselwirkenden Strukturen (Spiegel, Linsen, …) im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes zu groß sind. In der geometrischen Optik wird das Licht nicht als Welle, sondern als aus Lichtstrahlen zusammengesetzt betrachtet. Lichtstrahlen sind die Wellennormale, die senkrecht auf den Wellenfronten der Lichtwelle stehen. Diese Lichtstrahlen werden von einer Lichtquelle oder diffus  reflektierenden Objekt ausgesendet, welche dann wieder reflektiert, gebrochen oder aufgespalten werden (siehe Abb.2).

Diese Lichtstrahlen folgen dem Gesetz des Superpositionsgesetzes, d.h., die Strahlen können sich gegenseitig durchdringen ohne miteinander wechselzuwirken.                             Abb.2

In homogenen Medien breitet sich das Licht geradlinig aus. Es richtet sich nach dem Fermat‘schen Prinzip. Das Fermat‘sche Prinzip besagt, dass sich Lichtstrahlen sich im Medium immer den schnellsten Weg von einem Punkt zum anderen suchen und nehmen. An Den Grenzflächen zweier Medien gilt das Reflexionsgestz, Einfalls- gleich Reflektionswinkel, und das Snelliussche Brechungsgesetz, dass das Licht zum optisch dichteren Medium hin in Richtung des Lotes bricht. In inhomogenen Medien durchläuft das Licht das Medium in Abhängigkeit von der Brechzahl.

Mathematisch lässt sich das Fermat’sche Prinzip folgender weise erklären: Das Licht durchläuft in einem Medium mit der Brechzahl    zwischen den Punkten und von allen denkbaren Bahnen durch diese Punkte die Bahn, deren Laufzeit minimal, genauer stationär, ist. Die Größe τ hat die Bedeutung der Lichtlaufzeit zwischen beiden Punkten. Denn die Brechzahl ist an jedem Ort das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit c zur dortigen Lichtgeschwindigkeit v im Medium,

An einer verspiegelten Fläche werden die Lichtstrahlen reflektiert, wogegen sie an Grenzflächen zweier Medien mit verschiedener Brechzahl nach dem Snelliussche Brechungsgesetz gebrochen werden und partiell reflektiert werden ( somit in zwei Strahlen aufgespalten werden), oder total reflektiert werden. Dieser Lichtstrahl kann durch Doppelbrechung auch aufgespalten werden.       Abb.3

Das Snelliussche Brechungsgesetz besagt, dass wenn ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium in ein anderes mit einer anderen Phasengeschwindigkeit die Richtung ändert – man sagt: ,,er wird gebrochen‘‘. Dieses Gesetz gilt für alle Wellenarten.

Abb. 3 zeigt das Einfallen eines Lichtstrahles in von Medium₁ in Medium₂, er ist dabei geneigt und zwar gegen das Einfallslot um den Winkel δ₁. Ein Teil wird reflektiert und der Rest wird gebrochen und läuft unter dem Winkel δ₂ gegen das Lot weiter. Diesen Vorgang beschreibt dieses Gesetz.

Probleme, die die geometrische Optik nicht beschreiben kann sind z.B. Interferenz, Polarisation, Beugung, …

Ein wichtiger Vertreter der Technischen Optik war Ernst Abbe. Er hat sich mit dem Auflösungsvermögen von Mikroskopen und Linsen befasst und ist zu folgender Erkenntnis gelangt:             wobei in dieser Gleichung das λ für die Wellenlänge, das n für die Brechzahl und das α für den halben Öffnungswinkel des Objektives steht.