Mündlichblatt Nr. 16

Definition Beugung (Diffraktion):

• Ablenkung elektromagnetischer Wellen in die geometrischen Schattenräume.

Entstehung von Beugung:

Wo entsteht sie:

• Treffen elektromagnetische Wellen (Lichtwellen) auf ein Hindernis. (z.B. Blende, Staubpartikel, Linsenfassung, Linsenrand, Fingerabdruck), so breiten sich die Wellen nicht mehr vollständig geradlinig aus. Ein Teil der Wellen wird in den geometrischen Schattenraum abgelenkt.
• Kann überall entstehen wo dem Licht ein Hindernis im Weg ist.
• Eine Folge des Wellencharakters des Lichts.
• Huygenschen Prinzip:
  • Jeder Punkt einer Welle kann der Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle (Kugelwelle) sein. Gemäss dem Huygenschen Prinzip wirkt jeder Punkt der Blendenöffnung als Erregungszentrum, aus dem sich eine Kugelwelle ausbreitet.

Wahrnehmung von Beugung:

• Ist die Blendenöffnung gross, so ist der gebeugte Lichtanteil zum sich geradlinig ausbreitenden Anteil klein. Die Beugung wird in diesem Fall nicht bemerkt.
• Ist jedoch die Blendenöffnung sehr klein, so überwiegt der gebeugte Lichtanteil. Demzufolge wird die Beugung sichtbar und wirkt störend.

Auffangen auf Schirm:

• Kann bsp. Mit Hilfe einer Lochblende auf einem Schirm aufgefangen werden.
• Je nach Form der Blende ergeben sich andere Ausbreitungsmuster.
  • Beugungsblind ist davon abhängig, da das Licht senkrecht zur Blendenöffnung gebeugt ist.

Wahrnehmung am Beugungsgitter:

• Trifft monochromatisches Licht (z.B. Licht eines Lasers) durch einen engen Spalt und trifft auf einen Schirm, so sieht man auf dem Schirm ein Streifenmuster.
  • Die hellen Lichtstreifen heissen Beugungsmaxima. (kein Licht bzw. maximal viel Licht)
  • Die dunklen Schattenstreifen heissen Beugungsminima. (kein Licht bzw. wenig Licht)
  • Resultat von Interferenzen der gebeugten Wellenzüge.
• Der hellste Streifen liegt gerade vor dem Spalt und heisst Beugungsmaximum 0. Ordnung (bzw. Beugungshauptmaximum). Symmetrisch um das Maximum 0. Ordnung liegen die beiden Beugungsminima 1. Ordnung. Symmetrisch ausserhalb dieser Beugungsminima folgen die Beugungsmaxima 1. Ordnung, anschliessend folgen die Beugungsminima 2. Ordnung, dann die Beugungsmaxima2 etc.

Wahrnehmung am Beugungsgitter:

Linienspektrum:

• Langwelliges Licht wird stärker gebeugt, als kurzwelliges Licht.

• Wird das monochromatische Licht durch polychromatisches Licht ersetzt, entstehen auf dem Schirm die Helligkeitsmaxima für jede einzelne Farbe an anderem Stellen.
  • Durch Beugung wird das polychromatische Licht in seine Spektralfarben zerlegt.
• Das Helligkeitshauptmaximum 0. Ordnung erscheint auf dem Schirm als ein weisser Streifen. Bei den Maxima 1. Ordnung entstehen zwei Spektren, deren violette Farbanteile dem 0. Maximum zugewandt sind. Bei den Maxima 2. Ordnung sind die Roten Enden der Spektren soweit aussen, dass sie sich mit dem den violetten Farbanteilen der 3. Maxima überschneiden. Dadurch erscheint die Farbe Magenta auf dem Schirm. Weiter aussen überlagern sich die Farbanteile mehrerer Beugungsspektren. So erscheint weit aussen auf dem Schirm wieder polychromatisches Licht.
• bei einer Kreisförmigen Öffnung wird das Beugungsbild kreisförmig und heisst Beugungsscheibchen.
• Da in jedem optischen System bzw. Instrument eine runde Aperturblende vorhanden ist, wird ein punktförmiges Objekt niemals punktscharf, sondern immer als ein Beugungsscheibchen abgebildet.
• Bei der förderlichen Vergrösserung wird die Auflösungsgrenze erreicht, aber nicht überschritten. Wird mehr (als die förderliche Vergrösserung) vergrössert, so werden keine neuen Details mehr sichtbar. Es entsteht eine leere Vergrösserung. Dies bedeutet: Das Bild wird zwar grösser, aber weniger scharf und schwieriger zum Interpretieren.

Polarisation:

• Jede einzelne Welle eines Lichtstrahlenbündels schwingt zufallsbedingt in einer beliebigen Richtung.
• Beim polarisierten Licht wird die Schwingungsrichtung der elektrischen Teilwelle beurteilt. Dabei unterscheidet man zwischen:
  • Linear polarisiertem Licht, bei dem die elektrische Teilwelle in einer Ebene schwingt.
  • Zirkular polarisiertem Licht, bei dem die elektrische Teilwelle kreisförmig rotiert (d.h. das Licht breitet sich gewissermassen mit einer Schraubenbewegung aus.
  • Elliptisch polarisiertem Licht, bei dem die elektrische Teilwelle ellipsenförmig verläuft.

Lineare Polarisation:

• Eine lineare Polarisation lässt sich auf dem sechs Arten erzeugen:
  • Reflexion auf einer nichtmetallischen Oberfläche
  • Berechnung
  • Mit einer Doppelbrechung
  • Mit Dichroismus
  • Mit Polarisationsfiltern (die auf einer Doppelbrechung und dem Dichroismus beruhen, diese Filter müssen somit streng genommen der Doppelbrechung bzw. dem Dichroismus zugeordnet werden).

Unpolarisiertes Licht – polarisiertes Licht:

Unpolarisertes Licht:

• Unpolarisiertes Licht = natürliches Licht oder gewöhnliches Licht
• Unpolarisiertes Licht wird durch viele unabhängige Lichtquellen erzeugt.

Unpolarisiertes Licht – polarisiertes Licht:

Polarisiertes Licht:

• Alle elektrischen Teilwellen schwingen parallel (geradlinig) zueinander.

Polarisationsarten:

Polarisation durch Reflexion:

• Reflektion an einer nichtmetallischen Oberfläche = teilweise, lineare Polarisation
• Der Polarisationsgrad des reflektierten Lichts ist abhängig von:
  • Einfallswinkel
  • Brechzahlen der beteiligten durchsichtigen optischen Medien.
• Das reflektierte Licht wird vollständig polarisiert, wenn das Licht unter dem          . Polarisationswinkel (Brewsterwinkel) auf die reflektierende Oberfläche trifft.
• Falls nicht bekannt ist ob es sich um einen + oder – Winkel handelt ± angeben.
• Das reflektierte Licht wird parallel zur reflektierenden Oberfläche polarisiert.
  • Wasser Oberfläche à Licht wird teilweise horizontal polarisiert à Gläser werden senkrecht ausgerichtet damit horizontale Schwingungen nicht mehr durchkommen.
  • Schaufenster à Licht wird teilweise vertikal polarisiert, Gläser werden waagrecht ausgerichtet damit vertikale Schwingungen nicht mehr durchkommen.
  • Will man horizontal & vertikal etwas Reflexe herausfiltern müssen die Gläser in 45° und 135° eingeschliffen werden.

Polarisationsfilter:

• Wird auch als Analysator bezeichnet.
• Ein Filter welcher nur Polarisiertes Licht in einer bestimmten Richtung durchlässt.
• Wird für Spannungsprüfer genutzt, ein erster Filter lässt zum Beispiel nur waagrechtes Licht durch, ein zweiter Filter ist 90° dazu ausgerichtet. Alles Licht was dementsprechend nicht polarisiert ist kommt durch, an diesen Stellen ist Spannung auf dem Glas.

Polarisationsfilter:

Reflexion mit Brechung:

• Das gebrochene Licht wird zum gleichen Teil linear polarisiert, wie das reflektiere Licht. Daher wird der gebrochene Lichtanteil bestmöglich polarisiert, wenn der Einfallswinkel gleich dem Brewster Winkel (bzw. Polarisationswinkel) ist. Das gebrochene, polarisierte Licht ist senkrecht (bzw. 90°) zum reflektierten Licht polarisiert.
• Wenn beispielsweise an einer Glasoberfläche (ne= 1.5) 4% Licht reflektiert, so können diese 4% vollkommen linear polarisiert sein (wenn e = e B ist. In diesem Fall wird vom gebrochenen Licht ebenfalls 4% polarisiert. Somit gilt: 96% des Lichts tritt ins Glas über. Von diesen 96% sind ebenfalls 4% linear polarisiert, die restlichen 92% sind nicht polarisiert. Daraus folgt: Der gebrochene Lichtanteil ist (nach einer Brechung) niemals vollständig polarisiert.
• Ist jedoch der Einfallswinkel grösser oder kleiner als der Polarisationswinkel, so wird der reflektierte Lichtanteil nicht vollständig polarisiert.
• Ist der Einfallswinkel = Brewster Winkel, so bilden der reflektierte und der gebrochene Strahl einen rechten Winkel.

Polarisationsfilter:

Doppelbrechung:

• Doppelbrechende Materialien = Brechzahl ist abhängig von der Schwingungsrichtung des Lichts = auch anisotrop
• Ein inhomogenes, anisotropes Medium hat an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Brechzahlen. Demzufolge ist auch die Ausbreitungsrichtung des Lichts unterschiedlich.
• Doppelbrechende Materialien zerlegen das einfallende Licht – sofern es nicht auf der optischen Achse ins doppelbrechende Medium eintritt – in zwei Teilstrahlen, den sogenannten ordentlichen Strahl und den ausserordentlichen Strahl. Diese beiden Teilstrahlen sind vollkommen linear polarisiert. Beide Teilstrahlen sind zudem senkrecht zueinander polarisiert. Der ordentliche Strahl verhält sich gemäss den geometrisch-optischen Gesetzen. ER hat im doppelbrechenden material überall die gleiche Brechzahl. Der ausserordentliche Strahl verhält sich anders, als man es erwarten würde. Er hat im doppelbrechenden Material verschiedene Brechzahlen.
• Dadurch wird ein Objekt, welches durch ein doppelbrechendes Material betrachtet wird, doppelt gesehen. Dreht man den Kristall, wandert das vom ausserordentlichen Strahl erzeugte Bild, um das durch den ordentlichen Strahl erzeugte im gleichen Abstand herum. Die Helligkeit beider Bilder ist gleich. Mithilfe eines Polarisationsfilters (= Analysators) kann jeweils eines der Doppelbilder ausgeblendet werden.