Wellenoptik

Als Wellenoptik bezeichnet man den Teilbereich der Optik, der sich mit der Wellennatur des Lichts beschäftigt.

Licht besteht demnach aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich wellenförmig ausbreiten (elektromagnetische Welle). Mit diesem Modell lassen sich viele Eigenschaften des Lichts erklären und auch berechnen, die sich durch die geometrische Optik nicht beschreiben lassen. Dazu gehören Farbe, Interferenz, Beugung und Polarisation.

Geschichte

Bereits im 17. Jahrhundert erkannte man, dass die klassische Deutung von Licht als Bündel geradliniger Strahlen unvollständig sein muss. Beugung und Interferenz lassen sich so nicht erklären. Christiaan Huygens bemerkte um 1650, dass eine Lichtausbreitung analog zu Wasserwellen die Phänomene erklären würde. Er formulierte sein Huygenssches Prinzip, welches besagt, dass von jedem Punkt einer beugenden Fläche kugelförmige Elementarwellen ausgehen, die sich überlagern und so die beobachtbaren Beugungseffekte hervorrufen. Zunächst wurde Huygens nicht ernst genommen, da man die Teilchentheorie von Isaac Newton favorisierte.

Erst im 19. Jahrhundert wurde die Wellentheorie durch das Doppelspaltexperiment von Thomas Young bestätigt. Die Arbeiten von Joseph von Fraunhofer und Augustin Jean Fresnel bauten die Theorie weiter aus.

Eigenschaften von Lichtwellen

Im Sinne der Wellenoptik ist Licht eine Transversalwelle, das heißt die Welle schwingt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Man kann sie durch ihre Wellenlänge, Amplitude und Phase charakterisieren.

Farbe und Stärke

Die Farbe des Lichts entspricht seiner Wellenlänge. Monochromatisches Licht hat nur eine Wellenlänge, während Weißlicht eine Überlagerung vieler Wellen unterschiedlicher Wellenlängen darstellt.

Die Stärke des Lichts entspricht der Amplitude der Welle, gemittelt über die Zeit.

Kohärenz und Interferenz

Neben der Amplitude kann man auch die Phase der Welle betrachten. Stehen viele Wellen in einer konstanten Phasenbeziehung, so spricht man von Kohärenz. Kohärente Wellen haben die Eigenschaft, dass sie miteinander interferieren können. Unterschiedliche Wellen überlagern sich dabei so, dass es zur Verstärkung (Wellenberg trifft auf Wellenberg) oder Abschwächung (Wellenberg trifft auf Wellental) kommt.

Polarisation

Eine Transversalwelle schwingt zwar stets senkrecht zur Richtung der Lichtausbreitung, hat jedoch noch immer zwei Freiheitsgrade. Findet die Schwingung nur in einer Ebene statt oder ändert sie sich regelmäßg, so spricht man von polarisiertem Licht.

Wellenfronten

Statt Lichtstrahlen betrachtet man in der Wellenoptik das verallgemeinerte Konzept der Wellenfront. Eine Wellenfront ist eine Fläche, die Punkte gleicher Phase verschiedener Wellen in sich vereinigt. Lichtstrahlen stehen stets senkrecht auf der Wellenfront.

Grenzen der Wellenoptik

Es gibt Phänomene, die sich durch die Wellentheorie nicht erklären lassen. Dazu gehört der von Albert Einstein beschriebene photoelektrische Effekt. Demnach kann in bestimmten Situationen Licht auch als Teilchen auftreten. Man spricht dann von Welle-Teilchen-Dualismus.

Siehe auch:

• Geometrische Optik