Physik III, Optik

6.1FeldeinerÜberlagerungvonPunktquellen ................. 110
6.2Antennenarrays................................ 111
6.3 Beugung am Spalt .............................. 116
6.3 Beugung am Gitter .............................. 120
6.4 Unschärferelationen.............................. 122
7. Optische Resonatoren ................................ 127
7.1 Stehwellenresonator.............................. 127
7.2 Andere Resonatoren ............................. 131
Für den Menschen ist Licht ist eines der spektakulärsten und faszinierensten physikalischen
Phänomene. Ohne Licht kein Sonneuntergang über der Wüste aber auch keine schnelle
transatlantische Glasfaserverbindung für Internet und Telefon. Über die Jahrtausende hat
sich die Vorstellung über die Natur des Lichts immer wieder gewandelt und es gab erbitterte
Diskussionen darüber ob man Licht nun als ein Strom aus Teilchen auffassen müsste
oder als ein Wellenphänomen. Seit weniger als hundert Jahren sind wir nun in der privilegierten
Situation, ziemliche genau sagen zu können was Licht ist, nämlich ein relativistisches
Quantenphänomen. Dass sich ein Bogen schlagen lässt von einfachen Vorstellungen
der geometrischen Optik bis hin zu Licht als Prototyp einer eichinvarianten Quantenfeldtheorie,
ist in sofern sensationell als man das Gefühl bekommt man könne eine fundamentale
und höchst abstrakte physikalische Theorie sozusagen mit den eigenen Augen sehen, z.B bei
einem Sonnenuntergang. Im optischen Teil der Vorlesung Physik III können wir natürlich
nicht das vollständige Bild dessen entwerfen, was Licht ist, aber wir können einen Anfang
machen, der uns immerhin schon sehr nahe an die Grundlagen der Quantenmechanik führt
und uns außerdem eine Menge Einsichten vermittelt, wie man Licht, sozusagen im Alltag
beschreiben kann.
Dieser Text enthält die Argumente und Rechungen des Teils der Vorlesung Physik III,
der sich mit Optik befasst. Er nimmt innerhalb der gesamten Vorlesung (6SWS) etwa ein
Drittel ein (2 SWS). Inhalt ist zunächst ein etwas längeres Kapitel über die geometrische
Optik, gefolgt von zwei Kapiteln über Wellen im allgemeinen (Kapitel 2) und Lichtwellen im
besonderen (Kapitel 3). Kapitel 4 beschreibt im Rahmen des klassischen Lorentz-Modells
die Wirkung von Licht auf dielektrische Materialien und Metalle als auch umgekehrt die
Wirkung der Materie auf das Licht. Neben der Wellenlänge kann auch die Polarisation des
Lichts verändert werden, was einerseits zur Polarisationsoptik führt, andererseits Licht und
Drehimpuls in Verbindung bringt (Kapitel 5). Das Kapitel schließt mit den Photonen als
teilchenartige Träger der Lichtenergie. Damit sind die wesentlichen Eigenschaften von Licht
eingeführt. Das letzte Kapitel betrachtet Effekte, die auftreten, wenn man Licht räumlich
oder zeitlich einschränkt. Ebene Wellen sind dann keine gute Beschreibung mehr und man
muss zu Überlagerungen von ebenen Wellen übergehen. Mit Hilfe von Unschärferelationen
lassen sich grundlegende Eigenschaften solcher Überlagerungen erfassen.
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