Grundbegriffe der Wellenoptik

• Die Fresnelschen Gleichungen für nichtabsorbierende Medien

  An der Grenzschicht zweier Materalien mit verschiedenen Brechungsindizes wird einfallendes Licht entweder gebrochen oder reflektiert. Wichtig ist hierbei der Begriff der Polaristion: die Polarisationsrichtung einer Lichtwelle ist die Richtung, in welche der Vektor des elektrischen Feldes schwingt. Man betrachtet meist die beiden Extremfälle von Licht, das senkrecht oder parallel zur Einfallebene polarisiert ist. Die Einfallsebene wird vom Wellenvektor des einfallenden und des reflekierten Lichts aufgespannt.

  
  Löst man die Maxwellgleichungen mit entsprechenden Randbedingungen für beliebig polarisiertes Licht, so kann man den Reflexions- und den Transmissionskoeffizienten ermitteln. Mit ihnen läßt sich die Intensität des reflektierten und des gebrochenen Lichts in Abhängigkeit vom Einfallswinkel berechnen.

  Sonderfälle:

  • Der Brewsterwinkel ist der Einfallswinkel für parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht, bei dem an der Grenze zum optisch dichteren Medium überhaupt keine Reflexion stattfindet. Mit den Brechungsindizes n' > n gilt:

    tan (Brewster) = n' / n

  • Geht man vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium über (d. h. n' > n), ist stets der Einfallswinkel kleiner als der Ausfallswinkel der gebrochenen Welle. So kann der Ausfallswinkel 90° erreichen, wenn der Einfallswinkel einen kritischen Wert überschreitet. Es findet also Totalreflexion statt. Der Sinus dieses Grenzwinkels ist wiederum gegeben durch n' / n.

• Beugung von Licht: Beugung bedeutet, daß die Lichtausbreitung nicht den geometrischen Schattengrenzen folgt. D.h. hinter dem Beugungsobjekt treten Lichtwellen auf, die von der Richtung der einfallenden Lichtwelle abweichen. Dies ist bei allen optischen Versuchen der Fall, jedoch können Beugungseffekte unter bestimmten Bedingungen vernachlässigt werden (siehe geometrische Optik).
  Der Übergang zur Streuung ist fließend. Allgemein empfiehlt es sich, von Beugung zu sprechen, wenn die Objektstrukturen größer sind als die Wellenlänge.

• Interferenz von Licht: Treffen mehrere Lichtwellen an einem Ort zusammen, so überlagern sie sich nahezu ungestört. Das resultierene Wellenfeld erhält man, indem man an jeder Stelle die primären Felder vektoriell addiert. Bei Licht wird nur die Intensität beobachtet. Sie ist proportional zum Quadrat der Feldstärke. Die entsprechen Abweichung von der Additivität der Intensität bei der Überlagerung mehrerer Lichtwellen bezeichnet man als Interferenz.