Ausgewählte Kapitel der Physik

Präsentation zum Thema: "Ausgewählte Kapitel der Physik"—  Präsentation transkript:

1 Ausgewählte Kapitel der Physik
Optik Geometrische Optik

2 Strahlengang in optischen Geräten
Optik Lichtstrahlen Schatten Reflexion Brechung Polarisation Strahlengang in optischen Geräten

3 Lichtstrahlen Schatten Optik
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 c0 = m/s universelle Konstante, unabhängig von der Farbe der Strahlung (= Frequenz). c ist in allen Medien kleiner als im Vakuum.

4 Reflexion Optik Alle Winkel werden zum Lot gemessen
Optik Reflexion Alle Winkel werden zum Lot gemessen Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene Einfallswinkel des Strahls = Ausfallswinkel des Strahls

5 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? )

6 Hohlspiegel Optik (konkav, cave= Höhle)
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 die achsennahen Parallelstrahlen durch den Brennpunkt (Katakaustik)

7 Hohlspiegel Optik (konkav, cave= Höhle)
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 Brennpunkt  Parallelstrahlbündel Für konvexe Spiegel gelten ebenso die Reflexionsregeln, allerdings sind Bilder, die hinter dem Spiegel entstehen stets virtuell, aufrecht und verkleinert.

8 Reflexion und Brechung nach dem Prinzip von Fermat
Optik Reflexion und Brechung nach dem Prinzip von Fermat

9 Lichtbrechung beim Übergang zwischen unterschiedlichen Medien
Optik Lichtbrechung beim Übergang zwischen unterschiedlichen Medien

10 Grenzwinkel der Totalreflexion
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.

11 Brechung im Wellenbild
Optik 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 zu einer Annäherung an die Senkrechte, b ist kleiner als der Einfallswinkel a.

12 Grenzwinkel der Totalreflexion
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.

13 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“.

14 LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel
Optik LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel

15 LWL-Herstellung mit „Chemical Vapour Deposition“ (CVD)
Optik LWL-Herstellung mit „Chemical Vapour Deposition“ (CVD)

16 LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel
Optik LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel

17 LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel (1992)
Optik LWL-Herstellung bei Fa. Alcatel (1992)

18 Optik

19 Dispersion der Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen
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.

20 Dispersion der Strahlen mit verschiedenen Wegen im LWL
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 = (nK-nM)*L/c0 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.)

21 Optik Dispersion