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Ọptik

 

[lateinisch optice, von griechisch optike̅́ (téchnē) »das Sehen betreffend(e Lehre)«] die, -,  

 1) ursprünglich die Lehre vom sichtbaren Licht; allgemein das Teilgebiet der Physik, das die Wechselwirkung optischer Strahlung (elektromagnetische Strahlung, die auch den ultravioletten und infraroten Wellenlängenbereich einschließt) mit Materie untersucht.

 

Die Gesetzmäßigkeiten der Ausbreitung sowie der Emission und Absorption von Licht u. a. Wechselwirkungsprozesse mit Materie, auch unter der Einwirkung elektrischer (Elektrooptik) und magnetischer (Magnetooptik) Felder, sind Gegenstand der physikalischen Optik. Historisch bedingt wird diese in die klassische (Strahlen- und Wellenoptik) und in die Quantenoptik eingeteilt. Im Rahmen der klassischen Optik umfasst die geometrische Optik (Strahlenoptik) alle Erscheinungen, bei denen der Wellencharakter des Lichtes vernachlässigt werden kann. Grundlegend ist der Begriff der (Licht-)Strahlen; sie werden als geometrische Linien aufgefasst, deren Richtung durch Brechung und Reflexion beeinflusst werden kann und die bestimmte Abbildungen vermitteln. Ihre Gesetze lassen sich als Elektronenoptik oder Ionenoptik auf die Ausbreitung von Elektronen und Ionen sowie deren Beeinflussung durch elektrische und magnetische Felder übertragen. Die Wellenoptik dagegen befasst sich mit Erscheinungen des Lichtes, die an seine Wellennatur geknüpft sind: Beugung, Interferenz, Polarisation, Kohärenz; zu ihr gehören ferner elektro-, magneto- und kristalloptische Phänomene (Kristalloptik). Effekte, bei denen die Teilchennatur des Lichts (Photon) in den Vordergrund tritt (z. B. Photoeffekt, Absorptions- und Emmissionsspektren der Atome und Moleküle, Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission im Laser, Raman-Effekt, Compton-Effekt), werden durch die Quantenoptik beschrieben.

 

Materiewellen neutraler Teilchen (Atome, Neutronen) gehorchen hinsichtlich der Ausbreitung und der Beugung den gleichen Gesetzen wie Lichtwellen, dementsprechend sind auch damit Interferenz- und Beugungsuntersuchungen sowie vergrößerte oder verkleinerte Abbildungen möglich. Als Spiegel und Strahlteiler für die Neutronenoptik dienen vorwiegend Siliziumkristalle. In der Atomoptik werden für Beugungsuntersuchungen künstlich hergestellte Strukturen (Transmissionsgitter, Fresnellinsen) und für Spiegel und Strahlteiler zunehmend Laserstrahlen und Lichtgitter benutzt.

 

Die physiologische Optik befasst sich mit den physikalischen und physiologischen Grundlagen des Sehens und der Farbempfindung (Farbensehen) sowie mit Funktion und Aufbau des Auges. — Die technische Optik behandelt die Anwendung der Optik zur Lösung von Aufgaben der Informations- und Messtechnik, der Licht- und Beleuchtungstechnik sowie der Entwicklung optischer Instrumente (wie Fernrohr, Interferometer, Mikroskop, Spektralapparate) und Systeme.

 

Die Entwicklung des Lasers, dessen Strahlung sich durch hohe spektrale Energiedichte, Monochromasie, scharfe Bündelung sowie große zeitliche und räumliche Kohärenz von der Strahlung konventioneller thermischer Lichtquellen unterscheidet, hat zu völlig neuen Möglichkeiten der lichtoptischen Abbildung (kohärente Optik, integrierte Optik) sowie zur Entdeckung einer Vielzahl neuartiger physikalischer Phänomene geführt (nichtlineare Optik). - Eng verbunden mit den Entwicklungen digitaler Techniken ist die physikalische Optik heute ein interdisziplinäres Forschungs- und Anwendungsgebiet, zu dem Bereiche wie Optoelektronik, Faseroptik (Glasfaseroptik), optische Bildverarbeitung, Mikrooptik (Mikrotechnik) gehören. Von besonderer Bedeutung ist die Entwicklung der digitalen Optik, d. h. optisches Verfahren zur digitalen Informationsübertragung, -speicherung und -verarbeitung (optische Datenverarbeitung, Telekommunikation).

 

Weitere Spezialgebiete der physikalischen Optik sind u. a. die Akustooptik und die Röntgenoptik.

 

Die atmosphärische Optik beschreibt das Verhalten des Lichtes in der Atmosphäre. Brechung (atmosphärische Refraktion) und Spiegelung können zu den zahlreichen Haloerscheinungen (Halo) sowie dem Regenbogen führen. Weitere Erscheinungen sind die atmosphärische Extinktion und die Lichtstreuung, Dämmerungserscheinungen und die Beugung des Lichts an Wolkenteilchen (Kranz).

 

Geschichte:

 

Nach ersten Ansätzen in der Antike (Katoptrik des Euklid und Dioptrik des Ptolemäus), Arbeiten von Haitham und der Formulierung beziehungsweise Publizierung des Brechungsgesetzes (W. Snellius, um 1620, R. Descartes, 1637) war bis zum 17. Jahrhundert die Grundlage der geometrischen Optik geschaffen, deren Ausbau bis ins 19. Jahrhundert dauerte und u. a. zu einer Theorie der optischen Abbildung führte (C. F. Gauss, 1838-41). Parallel dazu setzte zu Beginn des 17. Jahrhunderts die instrumentelle Optik mit der Erfindung des Fernrohrs (J. Lipper[s]hey) und des Mikroskops (H. und Z. Janssen) ein. Die ebenfalls bereits von Haitham verfolgte physiologische Optik wurde v. a. von H. L. F. von Helmholtz im 19. Jahrhundert ausgebaut. Eine Fülle optischer Erscheinungen und ihre Interpretation führte zur Entwicklung der Wellenoptik: Deutung der Interferenz (T. Young, 1801), neue Beugungsphänomene (A. Fresnel, 1822), Entdeckung (E. L. Malus, 1808) und Deutung (Young, 1822) der Polarisation des Lichts, Deutung des Lichts als elektromagnetische Strahlung (J. C. Maxwell, 1864), wellenoptische Theorie der Abbildung (E. Abbe, 1873). Die Entwicklung der Spektralanalyse (R. W. Bunsen und G. R. Kirchhoff, 1859) führte über die dann folgende, in großem Umfang betriebene Atom- und Molekülspektroskopie an die Grenzen der klassischen Physik; eine befriedigende Erklärung der Spektren gelang erst mithilfe der Quantenmechanik. Die Erklärung der Hohlraumstrahlung (M. Planck, 1900), die Deutung des von W. Hallwachs entdeckten und P. Lenard näher untersuchten lichtelektrischen Effekts durch A. Einstein (1905) und die Berechnung der Spektrallinien des Wasserstoffatoms (N. Bohr, 1913) schufen die Grundlagen der Quantenoptik. Seit der Entwicklung des Lasers (T. H. Maiman, 1960) stehen kohärente Lichtquellen zur Verfügung, die insbesondere der Spektroskopie neuen Auftrieb gaben und die Untersuchung nichtlinear optischer Effekte, optischer Materialbearbeitung, Holographie und optischer Kommunikationstechnik ermöglichen.

 

Literatur:

 

I. Newton: O. oder Abh. über Spiegelungen, Brechungen, Beugungen u. Farben des Lichts, 3 Tle. in 2 Bden. (a. d. Engl., Leipzig 1898, Nachdr. 1996 in 1 Bd.);

 A. Sommerfeld: Vorlesungen über theoret. Physik, Bd. 4: O. (³1964, Nachdr. Thun 1989);

 R. W. Pohl: O. u. Atomphysik (¹³1976);

 H. Naumann u. G. Schröder: Bauelemente der O. Tb. der techn. O. (⁶1992);

 

Lb. der Experimentalphysik, begr. v. L. Bergmann u. C. Schaefer, Bd. 3: O. (⁹1993);

 

O. Eine Einf., Beitrr. v. F. L. Pedrotti u. a. (a. d. Amerikan., 1996);

 M. Young: O., Laser, Wellenleiter (a. d. Engl., 1996);

 M. Born u. E. Wolf: Principles of optics (Neuausg. Cambridge 1997);

 

Opt. Technologien für das 21. Jhd. Potenziale, Trends u. Erfordernisse, hg. v. dem Lenkungskreis Opt. Technologien für das 21. Jhd. (2000);

 

Optics and astronomy, hg. v. G. Simon u. a. (Turnhout 2001);

 

Handbook of optical engineering, hg. v. D. Malacara u. a. (New York 2001);

 E. Hecht: Optik. (a. d. Engl., ³2001);

 

Techn. O. in der Praxis, hg. v. G. Litfin (²2001);

 

O. für Ingenieure. Grundlagen, Beitrr. v. F. L. Pedrotti u. a. (a. d. Engl., ²2002).

 

Weitere Literatur: Laser, Licht.

 

 2) Kurzbezeichnung für optisches System.