Optik

Gegenstand und Einordnung

Optik, auch Lehre vom Licht, ist ein Gebiet der Physik. Sie untersucht die Ausbreitung von Licht, seine Wechselwirkung mit Materie und besonders optische Abbildungen. Mit Licht ist meist der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums gemeint: Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm beziehungsweise Frequenzen von 790 THz bis 385 THz. Teilweise behandelt die Optik auch die angrenzenden unsichtbaren Bereiche Infrarot und Ultraviolett.

Viele Regeln der klassischen Optik lassen sich auf andere elektromagnetische Strahlung übertragen, etwa auf Röntgenstrahlung sowie Mikrowellen und kürzere Funkwellen. Auch geladene Teilchen können in elektrischen oder magnetischen Feldern abgelenkt oder gebündelt werden, sodass Abbildungen entstehen; dies gehört zur Elektronenoptik.

Wichtige Teilgebiete

Die zwei klassischen Zugänge zur Lichtausbreitung sind geometrische Optik und Wellenoptik. Die geometrische Optik ist geeignet, wenn die Abmessungen eines optischen Systems sehr groß gegenüber der Wellenlänge des Lichts sind. Sind Komponenten klein gegenüber der Wellenlänge, spricht man von Mikrooptik.

Die Quantenoptik untersucht Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie und berücksichtigt besonders, dass Licht gequantelt ist. Die nichtlineare Optik behandelt Fälle, in denen Licht das umgebende Medium beeinflusst und dadurch zusätzliche Effekte erzeugt. Weitere Teilbereiche sind Fourieroptik und atmosphärische Optik; letztere untersucht Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre.

Strahlen, Brechung und Abbildungen

Die geometrische Optik nähert Licht durch idealisierte Strahlen an. Den Weg des Lichts durch ein optisches Instrument konstruiert man, indem man den Strahlenverlauf verfolgt.

Das snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Brechung an Grenzflächen zwischen transparenten Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex, beispielsweise an Linsen oder Prismen. Bei Spiegelreflexion und Totalreflexion gilt: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich.

Damit lassen sich Abbildungen durch Linsen oder Linsensysteme, etwa in Mikroskop, Teleskop und Objektiv, sowie Abbildungsfehler behandeln. Eine wichtige Vereinfachung ist die paraxiale Optik. Sie folgt aus einer Linearisierung des snelliusschen Brechungsgesetzes und definiert unter anderem Brennweite und Abbildungsmaßstab.

Welleneffekte und Oberflächen

Die Wellenoptik beruht auf der Wellennatur des Lichts und erklärt Erscheinungen, für die die geometrische Optik nicht ausreicht. Während diese grundsätzlich eine ideale Abbildung zulässt, setzt die Beugung der Auflösung eine prinzipielle Grenze. Das ist beispielsweise bei fotolithografischen Schritten zur Herstellung moderner integrierter Schaltungen wichtig.

Zu den zentralen Erscheinungen gehören Interferenz, also die Überlagerung von Wellenfronten, Beugung an kleinen Spalten oder Kanten, Polarisation und Streuung an Partikeln im durchstrahlten Volumen. Viele Effekte hängen von der Wellenlänge ab; diese Abhängigkeit heißt Dispersion. Als Beispiel wird die Frage genannt, warum der Himmel blau ist. Auf der Wellenoptik bauen Kristalloptik und Magnetooptik auf.

Bei wirklichen Oberflächen ist für die Wahrnehmung besonders die Remission bedeutsam: Ein Teil des Lichts wird absorbiert, der übrige Spektralanteil reflektiert, transmittiert oder gestreut. Reflexion und Transmission lassen sich durch Brechung an Grenzflächen beschreiben. Manche Oberflächen, etwa menschliche Haut, sind in den obersten Schichten teilweise transparent. Dann liegt keine bloß reflektierende Fläche, sondern eine reflektierende Schicht vor. Solche Vorgänge sind schwer abstrakt zu beschreiben und können dazu beitragen, dass computergenerierte Bilder künstlich wirken.

Auge, Sehhilfen und technische Anwendungen

Das menschliche Auge ist ein optisches Sinnesorgan. Photorezeptoren der Netzhaut erfassen Licht verschiedener Wellenlänge und lösen Aktionspotentialfolgen der Ganglienzellen aus. Die physiologische Optik befasst sich mit Optik und Aufbau des Auges. Alle durchsichtigen Teile des Auges wirken zusammen wie eine Sammellinse und erzeugen ein stark verkleinertes, verkehrtes, wirkliches Bild. Optik allein erklärt Sehen jedoch nur teilweise, weil das Gehirn die Informationen verarbeitet.

Mit der Geschichte von Sehhilfen sind die Visby-Linsen aus dem 11. Jahrhundert verbunden, die auf Gotland gefunden wurden. Einige erreichen eine Abbildungsqualität, die mit heutigen Linsen vergleichbar ist; ihre Herkunft ist trotz genauer Analyse unklar. Ibn Al-Haitham (996–1038) schrieb in „Schatz der Optik“ über Sehen, Refraktion und Reflexion. Nach der lateinischen Übersetzung um 1240 griffen europäische Mönche seine Idee auf, das Auge mit geschliffenen Linsen zu unterstützen, und fertigten Plankonvexlinsen als Lesesteine.

Technische Optik bezeichnet Entwurf, Auslegung und Fertigung optischer Systeme. Als Ingenieurwissenschaft steht die Konstruktion und Herstellung von Geräten sowie die Konzeption bestimmter Strahlengänge im Vordergrund. Sie verbindet optische Messtechnik, Lasertechnik und theoretische Optik einschließlich Mikrooptik, Lichttechnik und Faseroptik. Anwendungen sind Projektionstechnik, Holografie, Fotografie und Spektroskopie. Wichtige Bauelemente sind unter anderem Lichtquellen, Linsen, Filter, Spiegel, Prismen, Beugungsgitter, Blenden und Detektoren; daraus entstehen Geräte wie Brillen, Lupe, Fernrohr, Mikroskop, Spektroskop, Laser, Kamera, Refraktometer, Lidar und Teleskop.