Glossar: Durchblick in Optik

Lichtstrahlen mit kleinem Einfallswinkel $\alpha$ bezeichnet man als achsennah.

Astigmatismus tritt auf, wenn Licht auf eine nicht rotationssymmetrische Linse trifft. Durch die Asymmetrie werden die Strahlen unterschiedlich stark fokussiert und es kommt zu Unschärfe.

Als Austrittsarbeit bezeichnet man die Energie, die benötigt wird um ein Elektron aus einem Material auszulösen. Sie ist vom Material abhängig.

Trifft Licht auf eine Öffnung, die sehr viel breiter als die Lichtwellenlänge ist, tritt es ohne besondere Vorkommnisse hindurch. Reduziert man diesen Spalt nun aber auf eine Breite in der Größenordnung der Wellenlänge oder kleiner, so kommt es zum Auftreten von Beugungseffekten. Es wird in alle Richtungen gleichermaßen abgestrahlt.

Die Bildweite $b$, also der Abstand vom erzeugten Bild mit Bildhöhe $B$ zur Linse, kann beide Vorzeichen haben. Ist sie größer null, so befindet sich das Bild vor der Linse, steht auf dem Kopf und ist reell. Ist sie kleiner null, so steht das Bild nicht auf dem Kopf, ist virtuell und befindet sich hinter der Linse, also auf der gleichen Seite wie der Gegenstand.

Die Stärke von Linsen wird üblicherweise durch ihre Brechkraft $D$ angegeben, und es gilt $D = \frac{1}{f}$. Dabei ist die Einheit $1\mathrm{dpt} = 1\frac{1}{\mathrm{m}}$. Eine Brille mit 2 dpt besitzt also eine Brennweite von $f = 50$ cm.

Im Brennpunkt werden alle Lichtstrahlen gebündelt.

Für in der Einfallsebene parallel polarisiertes Licht gibt es einen Winkel, den Brewster-Winkel $\theta_\mathrm{B}$, für den das Licht vollständig transmittiert und nichts davon reflektiert wird. Berechnen lässt sich der Brewster-Winkel über $\theta_\mathrm{B} = \arctan \frac{n_\mathrm{T}}{n_\mathrm{E}}$. Der Grund für die verschwindende Reflexion ist, dass die direkt an der Grenzfläche auftretende Schwingung des Feldvektors genau in Ausbreitungsrichtung des eventuellen reflektierten Strahls liegt, sie besitzt keinerlei Anteil senkrecht dazu. Dadurch kann sich in Reflexion keine Welle ausbilden, der reflektierte Strahl tritt nicht auf.

Als Disperion bezeichnet man die Abhängigkeit eines Brechungsindizes von der Wellenlänge. Unterschiedliche Farben des Lichts werden entsprechend unterschiedlich stark an einer Grenzfläche gebrochen und besitzen unterschiedliche Geschwindigkeiten in einem Medium.

Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellen gleichphasig schwingen, also einen Gangunterschied $\Delta s$ von null oder ganzzahligen Vielfachen ($n\lambda$) der Wellenlänge besitzen. Destruktive Interferenz hingegen entsteht bei gegenphasiger Schwingung, also einem Gangunterschied $\Delta s$ von ungeraden ganzzahligen Vielfachen von $\frac{\lambda}{2}$.

Sie beschreibt die Folgen der Beugung im sogenannten Fernfeld, also in, im Verhältnis zur Ausdehnung des Objekts, großem Abstand zum Objekt. Dadurch kann bei Berechnungen angenommen werden, dass die Wellenfronten kaum gekrümmt sind und deswegen ebene Wellen darstellen.

Unnötiges Linsenmaterial fehlt hier, die Krümmung der Linse ist aber an jeder Stelle unverändert. Dadurch ergeben sich gleiche Brecheigenschaften, allerdings mit reduzierter Bildqualität. Sie kommt zum Einsatz, wenn aufgrund zu hoher Kosten oder beschränkten Platzangebots Material eingespart werden muss.

Von gegenphasig spricht man, wenn zwei Wellen eine Phasenverschiebung von $\Delta\varphi = 180^\circ$ zueinander haben. Dann treffen die Maxima der einen Welle mit den Minima der anderen Welle aufeinander.

Die Gruppengeschwindigkeit $v_\mathrm{g}$ beschreibt die Fortschreitung des gesamten Wellenpakets über die Zeit. Sie kann sogar negativ sein und bestimmt sich über $v_\mathrm{g} = \frac{\partial\omega}{\partial k}$.

Die Intensität $I$ einer monochromatischen, elektromagnetischen Lichtwelle ist proportional zum Quadrat der Amplitude $E_0$ des elektrischen Feldvektors: $I = n\frac{c_0\epsilon_0}{2}E_0^2$.

Ein Körper, der Strahlung gut absorbiert, kann auch selbst besonders gut strahlen. Das bedeutet, der Emissionsgrad $\epsilon$ eines Körpers ist abhängig von seinem Absorptionsgrad $\alpha$.

Die Kohärenzlänge beschreibt wie lange die Wellenfronten von Licht auf einer Linie sind bevor es zu einem Versatz einzelner Wellenfronten kommt. ACHTUNG: dieser Wert beschreibt die zeitliche Kohärenz, nicht die räumliche! Sie berechnet sich aus dem Produkt der Kohärenzzeit mit der Mediumslichtgeschwindigkeit $l_\mathrm{k} = \tau_\mathrm{k}c_\mathrm{Medium}$.

Im Gegensatz zu konvexen Linsen sind konkave Linsen insgesamt nach innen gekrümmt, durch sie hindurch wirken Objekte stets verkleinert und sie besitzen eine negative Brennweite $f < 0$. Paralleles Licht wird von ihnen zerstreut, deshalb auch die Bezeichnung Zerstreuungslinsen. Abbildungen mit konkaven Linsen sind wenig vielseitig. Hierbei erhält man immer ein virtuelles Bild, das verkleinert ist und nicht auf dem Kopf steht.

Die Kreisfrequenz erlaubt eine Aussage, wie schnell (in der Zeit) sich an einem festgelegten Ort(!) ein bestimmter Auslenkungswert wiederholt. Mit steigender Kreisfrequenz nimmt der Zeitabstand zwischen zwei identischen Auslenkungswerten am selben Ort, die sogenannte Periodendauer $T$, ab. Die Kreisfrequenz berechnet sich über $\omega = 2\pi f = \frac{2\pi}{T}$ und hat die Einheit $\frac{1}{\mathrm{s}}$.

Analog zur Wellenlänge bleibt die Lichtgeschwindigkeit beim Übergang vom Vakuum ($c_0$) in ein Medium ($c_\mathrm{Medium}$) mit größerem Brechungsindex $n$ nicht konstant, sondern ändert sich mit $c_\mathrm{Medium} = c_0 \frac{1}{n_\mathrm{Medium}} = f\cdot\lambda_\mathrm{Medium}$.

Die Vergrößerung $V$ des Bilds $B$ gegenüber dem abgebildeten Gegenstand $G$ bei der Abbildung mit einer Linse errechnet sich aus $V = \frac{B}{G} = -\frac{b}{g}$ und nennt sich lineare Vergrößerung.

Die Brennweite $f$ einer dünnen Linse berechnet sich mit der sogenannten Linsenschleiferformel über $\frac{1}{f} = \frac{n_\mathrm{Linse}-n_\mathrm{Luft}}{n_\mathrm{Luft}}\cdot\left(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2}\right)$.

Als Mie-Streuung bezeichnet man die Streuung, bei der die streuenden Partikel eine Größe im Bereich der Lichtwellenlänge haben, also mehrere hundert Nanometer bis einige Mikrometer. Klassische Alltagsbeispiele sind die Milch und Wolken.

Die auf die Grenzfläche einer Linse senkrecht stehende Verbindungslinie zwischen Gegenstand und Bild bezeichnet man als optische Achse.

Eine Linse besteht immer aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 und besitzt eine oder zwei gebogene Grenzflächen, über die das Licht eines Gegenstands $G$ so gebrochen wird, dass an anderer Stelle ein Bild $B$ davon entsteht. Dies ist entweder vergrößert (|V | > 1) oder verkleinert (|V | < 1) und es kann auf dem Kopf stehen (V < 0) oder auch nicht (V > 0).

Sie beschreibt die Bewegung eines einzelnen Wellenberges oder -tals mit der Zeit.

Die Phasenverschiebung entspricht dem Wegunterschied $\Delta\lambda$, dem Zeitunterschied $\Delta T$ oder dem Winkelunterschied $\Delta\varphi$ zweier Wellen zueinander. Sie gibt somit Auskunft über die Phasenlage zweier Wellen gleicher Frequenz.

Der Teilchencharakter des Lichts führt dazu, dass einem einzelnen Photon eine bestimmte Energie zugewiesen werden kann. Diese ist abhängig von der Frequenz und berechnet sich zu $E_\mathrm{Photon}=hf_\mathrm{Photon}=\frac{hc}{\lambda_\mathrm{Photon}}$.

Die Schwingungsrichtung einer elektromagnetischen Welle wird als Polarisation bezeichnet. Diese kann unterschiedlich ausgeprägt sein. So gibt es zum Beispiel unpolarisiertes Licht, sowie linear oder zirkular polarisiertes Licht.

An Partikeln, die deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind, tritt vorrangig Rayleigh-Streuung auf. Diese ist abhängig von der Wellenlänge, also der Farbe des Lichts. Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker wird das Licht gestreut, also von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt.

Ein schwarzer Körper ist eine idealisierte Vorstellung eines Objekts, das sämtliche einfallende Strahlung absorbiert und nicht den geringsten Anteil davon transmittiert oder reflektiert. Dies gilt nicht nur für sichtbares Licht, sondern für Strahlung sämtlicher Wellenlängen.

Beim Durchgang durch eine Linse mit kugelförmigen Grenzflächen werden die Lichtstrahlen je nach ihrem Abstand zur optischen Achse unterschiedlich stark fokussiert. Dies hat unterschiedliche Brennpunkte und damit unscharfe Abbildungen zur Folge. Abhilfe schafft man sich mit besonders geformten, sogenannten asphärischen Linsen, deren Form von den Kugelflächen abweicht und diesen Fehler korrigiert.

Die Strahlungsleistung gibt an, welche Leistung ein Körper mit einer gewissen Fläche und Temperatur abstrahlt: $P = \sigma AT^4$.

Ab einem bestimmten Auftreffwinkel, dem sogenannten kritischen Winkel $\theta_\mathrm{k}$, wird sämtliches einfallendes Licht vollständig an der Grenzfläche reflektiert. Der Winkel berechnet sich allgemein über $\theta_\mathrm{k}=\arcsin\left(\frac{n_\mathrm{T}}{n_\mathrm{E}}\right)$. Ab diesem Einfallswinkel auf die Grenzfläche kann keinerlei Licht mehr das Medium verlassen, es ist darin gefangen. Eine praktische Anwendung dieses Effekts sind Glasfaserkabel.

Auch $\frac{\lambda}{4}-$Plättchen genannt. Es besteht aus einem doppelbrechenden Material, in dem die Ausbreitungsrichtung der einen Polarisationsrichtung gegenüber der anderen verzögert wird. Mit ihm lässt sich linear in zirkular polarisiertes Licht umwandeln und umgekehrt.

Eine Welle schwingt nicht nur in Abhängigkeit von der Zeit, sondern zusätzlich auch vom (dreidimensionalen) Ort. Mathematisch beschrieben werden kann sie über: $E(\vec{x},t)=E_0 \sin(\omega t - \vec{k}\vec{x})$.

Der Wellenvektor ist für den Ort $\vec{x}$ das, was die Kreisfrequenz $\omega$ für die Zeit $t$ ist. Er gibt Auskunft darüber, wie oft (innerhalb einer gewissen Wegstrecke) sich zu einer bestimmten Zeit ein bestimmter Auslenkungswert wiederholt. Mit steigendem Wellenvektor reduziert sich der räumliche Abstand zwischen zwei identischen Auslenkungswerten zum selben Zeitpunkt, die sogenannte Wellenlänge $\lambda$. Der Wellenvektor ist im Allgemeinen dreidimensional, sein Betrag berechnet sich über $k=\frac{2\pi}{\lambda}$.

Beschreibt die Vergrößerung des Sehwinkels, mit der das Bild $B$ eines Gegenstand $G$ betrachtet werden kann: $V_\sphericalangle = \frac{\tan\epsilon}{\tan\epsilon_0}$.