Techniklexikon

Optik

Optik, griech. optike(techne), »das Sehen betreffend(e Lehre)«, Gebiet der Physik, das sich allgemein mit den Wirkungen und Anwendungen der optischen Strahlung (Röntgen-, ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung) befasst. Optische Wirkprinzipien werden in der Informations-, Automatisierungs-, Mess- und Gerätetechnik vielfach angewendet, und besonders die Lasertechnik, die Bildverarbeitung und die Opto- und Mikroelektronik haben eine grosse Bedeutung. Auf Grund der theoretischen Behandlung der optischen Erscheinungen unterscheidet man in die geometrische Optik, die Wellenoptik und die Quantenoptik. Die geometrische oder Strahlenoptik ist die Näherung der Wellenoptik für sehr kleine Wellenlängen (nm bis mm). Sie bedient sich des Modells der Lichtstrahlen und fusst auf dem Fermatschen Prinzip sowie auf dem Malusschen Satz. Mit ihr können die Brechung und die Reflexion behandelt werden.

Die geometrische Optik liefert die Theorie der Strahlvereinigung in den optischen Instrumenten und hat als Grundlage eigentlich nur das Braggsche Reflexionsgesetz und das Snelliussche Brechungsgesetz. Die aus dem elektromagnetischen Wellencharakter des Lichtes folgenden Erscheinungen wie Polarisation, Interferenz und Beugung werden in der Wellen- bzw. physikalischen Optik behandelt, deren Grundlage die Maxwell-Gleichungen bzw. das Huygenssche Prinzip sind. Die Wellenoptik ist ein Teilgebiet der Maxwellschen Theorie geworden, seitdem durch H. Hertz die Identität elektrischer und optischer Wellen gezeigt wurde. Die strenge Lösung eines optischen Problems ist daher gleichbedeutend mit der strengen Lösung der Maxwellschen Gleichungen unter Vorgabe bestimmter Randbedingungen - solange der Wellenbegriff uneingeschränkt verwendet werden darf. Bei hochauflösenden Instrumenten wie dem Mikroskop legt die Beugung in entscheidender Weise die Grenze für das Auflösungsvermögen fest. Tritt bei hohen Frequenzen um 10²⁰ Hz der korpuskulare Charakter des Lichtes in den Vordergrund (Photoeffekt, Compton-Effekt), so versagt die klassische, auf der Maxwell-Theorie gegründete, Wellenoptik und muss durch die Quantenoptik ersetzt werden, die die Wechselwirkung quantisierter Wellenfelder mit stofflicher Materie untersucht.

Die physiologische Optik beschäftigt sich mit der Theorie der optischen Wahrnehmung (Seh-, Farbwahrnehmung und optische Täuschung), d.h. mit dem Aufbau und den Eigenschaften des dioptrischen Apparates des Auges.

Die technische Optik, die sich mit den Anwendungen der Optik zur Lösung von Aufgaben in der Informations- und Messtechnik, der Licht- und Beleuchtungstechnik befasst, spielt ebenso eine Rolle wie die integrierte Optik, die sich mit der Entwicklung optischer Bauelemente befasst. Die Weiterentwicklung der Laser und deren sehr hohe Feldstärken führen zu einem wachsenden Interesse an der nichtlinearen Optik.

Geschichte: Mit den Ansätzen der Antike (u. a. Euklids Katoptrik und die Dioptrik des Ptolemäus), den Arbeiten von Alhazen und der Auffindung des Brechungsgesetzes durch W. Snellius (1621) und R. Descartes (1629) war bis zum 17. Jh. die Grundlage der geometrischen Optik geschaffen. Ihre Anwendung führte zu Beginn des 17. Jh. zur Erfindung des Fernrohres (H. Lippershey) und des Mikroskopes (H. und Z. Janssen). Seit Mitte des 17. Jh. entwickelten sich die verschiedenen Vorstellungen von der Natur des Lichtes, insbesondere die Wellentheorie (F.M. Grimaldi und R. Hooke 1665, C. Huygens 1678) und die Korpuskulartheorie (I. Newton 1704). Die 2. Hälfte des 19. Jh. brachte die Erkenntnis der elektromagnetischen Natur des Lichtes (J.C. Maxwell 1864) sowie eine erste atomistische Deutung optischer Erscheinungen mit Hilfe der Elektronentheorie (H.A. Lorentz 1892-95). Die sich ab Mitte des 19. Jh. entwickelnde Spektralanalyse durch R.W. Bunsen und G. Kirchhoff führte zur Auffindung von Spektralserien, deren Deutung Aufgabe der Quantentheorie wurde. Diese nahm ihren Ausgang in der Ableitung der Planckschen Strahlungsformel der Wärmestrahlung (M. Planck 1900) und wurde durch die von A. Einstein 1905 zur Deutung des Photoeffektes aufgestellte Lichtquantenhypothese untermauert. Damit war gleichzeitig der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes aufgezeigt. In jüngster Zeit erhielt besonders die nichtlineare Optik durch die Entwicklung des Lasers neue Impulse.