Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
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Wellenoptik - Lichtbeugung


Lichtbeugung

Die „Licht­beugung” ist eng mit der Inter­ferenz verbunden, wenn­gleich er auch andere Aspekte beinhaltet. Ein entschei­dendes Prinzip, welches hier zur Anwen­dung kommt ist das huygens-fresnel'sche Prinzip.

Wir erinnern uns, dieses Prinzip sagt aus, dass jeder Punkt in einem Wellen­feld, welches von einer Primär­welle getroffen wird, als Ausgangs­punkt einer neuen sekundären Kugel­welle aufge­fasst werden kann. Als Folge davon wird sich eine Viel­zahl von neuen Kugel­wellen bilden.

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Die Einhüllende der in Reihe ange­ordneten Kugel­wellen rufen im Anschluss wieder ebene Wellen­züge hervor. Abwei­chende Kugel­wellen dagegen werden sich recht präzise durch destruktive Inter­ferenz weg­inter­ferieren. Daher wird nur in einer einge­schränkten Vorwärts­richtung eine weitere Aus­breitung erfolgen.


Wenn es im Nachfolgenden um Licht­beugung geht, werden hierzu in diese ebenen Wellen­fronten ein oder mehrere Hinder­nisse ein­gebracht. Im Bereich der Hinder­nisse wird dann verständ­licher­weise keine weitere Aus­brei­tung der Wellen­fronten erfolgen. Man spricht bei einem solchen Hindernis auch von einer „Halb­ebene”, die undurch­lässig für jegliche Wellen­fronten ist.

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Im Bereich neben der Halb­ebene werden sich weiter­hin Kugel­wellen bilden. Diese werden aber nicht linear weiter­laufen, sondern ein gewisser Anteil der Licht­energie wird auch in den abge­schatteten Bereich hinein­reichen. In diesem Fall spricht man von einer „Beugung an der Kante”.

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Wenn die Distanzen zwischen mehreren Hinder­nissen sehr klein sind, wie zum Beispiel bei Spalten oder Gittern, richtet man die Geometrie möglichst so aus, dass weiterhin ein Parallel­strahl betrachtet werden kann. In diesem Fall spricht man von der „Fraun­hofer'schen Beugung”. Die Parallel­strahlenbündel, die auf das Hindernis auf­treffen, bleiben auch nach dem Hindernis erhalten. Insofern sind die geo­metrischen Verhält­nisse viel über­sicht­licher als bei der Fresnel'schen Beugung.




Lichtbeugung am Doppelspalt

Daher möchten wir nach­folgend noch­mals den Doppel­spalt betrachten. Das Licht kommt hierbei aus großer Distanz, trifft aber dennoch im Bereich des Doppel­spaltes parallel auf das Hinder­nis auf. Wenn man von einer großen Distanz spricht, dann groß im Ver­gleich zum Abstand eines Doppel­spaltes.

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Wenn also mehrere Wellen­fronten auf einen mit geringem Abstand vor­handenen Doppel­spalt treffen, werden sich sekundäre Kugel­wellen ausbilden.

d   ist der Spaltabstand
b   ist die Spaltbreite
s   ist der Gangunterschied

Wenn hinter den Spalten der­artige Kugel­wellen weiter fortlaufen, gibt es einer­seits eine gerad­linige Ausbrei­tung, so wie bei einer unge­störten Wellen­front. Ander­seits wird sich auch schräg in seit­liche Richtung eine Ausbrei­tung ergeben, vor allem dann, wenn sich die beiden Wellen konstruktiv über­lagern. Das ist deshalb so, weil sich die Wellen in der Art und Weise aus­breiten, dass der Gang­unter­schied s einer Wellen­länge λ, oder einem ganz­zahligen Viel­fachen z einer Wellen­länge, entspricht.

Insofern gibt es strahlen­förmig zu den Seiten hin eben­falls konstruktive Inter­ferenz. Bei der gerad­linigen Ausbrei­tung spricht man von z = 0 oder der nullten Ordnung der Beugung, und seit­lich von z = 1 oder der ersten Ordnung der Beugung.

Auf diese Weise ergeben sich Beugungs­ordnungen für verschie­dene Gang­unter­schiede. Eine Verstär­kung ist somit definiert als:

Je nach Beugungs­ordnung erhält man einen Winkel ϑ. Dieser steht mit den Gang­unter­schieden wie folgt in Beziehung:

Durch Einsetzen erhält man die Bedingung für die Verstär­kung beim Doppel­spalt:

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Wenn man das konkret durch­rechnet, ergibt sich je nach Beugungs­winkel eine entspre­chende Inten­sität, die eine modulierte Sinus­schwingung durch­läuft. Nach außen hin werden die Beugungs­ordnungen schwächer. Und manche Beugungs­ordnungen treten über­haupt nicht auf, sodass letzt­lich nur wenig scharf ausge­bildete Beugungs­ordnungen auftreten.

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Bei mehr als zwei Spalten bildet der Spalt­abstand d die „Gitter­konstante”. Der Gang­unter­schied zwischen den gebeugten Strahlen wird auch hier mit s bezeichnet. Und in gleicher Weise erhält man auch bei einem Gitter für verschie­dene Gang­unter­schiede eine Verstär­kung, die wie zuvor definiert ist als:

Die Beugungs­ordnung wird auch hier durch den Winkel ϑ definiert. Dieser steht mit den Gang­unter­schieden unverän­dert wie oben in Beziehung:

Aller­dings ergibt sich jetzt der Unter­schied, dass man hier keine Zwei­strahl-Inter­ferenz betrachtet, sondern eine „Viel­strahl-Inter­ferenz”. In einem solchen Fall muss man eher damit rechnen, dass selbst bei kleinen Abwei­chungen von der Verstär­kungs­richtung die einzelnen Strahlen bereits stärker beginnen aus der Phase zu laufen. Dement­spre­chend werden die Bereiche, bei denen Beugungs­ordnungen mit Verstär­kung auf­treten, in ihrer Breite ein­geschränkt, und dazwischen fallen die Bereiche mit Abdunkelung größer aus.

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Ähn­lich wie beim Doppel­spalt ergibt sich je nach Beugungs­winkel eine entspre­chende Intensi­tät, bei der nach außen hin die Beugungs­ord­nungen immer schwächer werden. Auch hier treten manche Beugungs­ordnungen über­haupt nicht auf. Je mehr Beugungs­ord­nungen man betrachtet, desto mehr nimmt die Anzahl der Sekundär­wellen zwar zu, aber umso schärfer treten die Verstär­kungen und Maxima auf.

Um ein derartiges Beugungs­verhalten am Gitter auszuwerten, bietet sich zum einen die Struktur­analyse an. Wenn die Wellen­länge λ der ein­fallen­den Welle bekannt ist, beispiels­weise bei einem Laser, und auch der Beugungs­winkel ϑ bekannt ist, lässt sich die Gitter­konstante d ausrechnen.

Umgekehrt ist es auch möglich, Spektro­metrie zu betreiben, indem bei bekanntem Beugungs­winkel und bekannter Gitter­konstante die Wellen­länge ermittelt wird:

Beschränkt man sich nur auf die erste Beugungs­ordnung, ent­spricht z = 1.

Wenn es um ein Licht geht, in welchem mehrere Wellen­längen ent­halten sind, ver­laufen die Beugungs­ordnungen der einzel­nen Wellen­längen in unter­schied­liche Rich­tungen. Eine besonders gute Auf­lösung erhält man, wenn die Beugungs­ordnungen schmal genug sind.

Wird statt einer mono­chroma­tischen Licht­quelle eine weiße Licht­quelle verwendet, wird die nullte Ordnung in der Mitte des Beugungs­musters mit einem weißen Licht­balken dar­gestellt. Das liegt daran, weil dort alle Wellen­längen mit Beugungs­winkel Null zusammen­treffen und in Summe wieder ein weißes Licht ergeben.

Wogegen es seitlich mit zunehmenden Beugungs­ordnungen zu entspre­chenden Über­lagerungen der Wellen kommt, mit deren typischen Spektral­farben. In der ersten Beugungs­ordnung lässt sich gut erkennen, dass rotes Licht einen größeren Beugungs­winkel hat, und dass blaues Licht einen kleineren Beugungs­winkel besitzt.

An einem Prisma lässt sich gut beobachten, dass die kurzen Wellen­längen stärker gebrochen werden, und damit der Brechungs­index größer ist. Aller­dings ist hierbei zu berück­sichtigen, dass in Verbindung mit einem Prisma nicht von Interferenz oder Beugung die Rede ist, sondern nur von „Brechung” des Lichtes.

Deswegen sind die Farben am Prisma gegen­über dem Gitter anders ange­ordnet. Bei der Licht­beugung liegt der rote Farb­balken außen, wogegen bei der „Licht­brechung” am Prisma der blaue bzw. violette Farb­balken außen liegt.

Darüber hinaus gibt es noch eine weitere wichtige Anwen­dung der Licht­beugung. Auf­grund der Licht­beugung an Hinder­nissen kann man auch abschätzen, wo die Grenzen bei optischen Geräten liegen.




Funktionsweise eines Mikroskop

Um zu erkennen, wo die Anwendungs­bereiche der Wellen­optik liegen, wollen wir uns zunächst noch einmal die Funktions­weise eines Mikroskops in Erinnerung rufen.

Das Mikroskop fällt in den Bereich der Optik. Doch die geomet­rische Optik hat nur in den Bereichen ihre Gültig­keit, bei der die Objekte groß genug sind gegen­über den Licht­wellen­längen. Wenn es dagegen um Objekte in der Größen­ordnung der Licht­wellen­länge selbst geht, setzt der Aspekt der Wellen­optik und der Beugung des Lichtes ein.

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Ausgehend von einer Licht­quelle, dessen Licht zunächst auf eine Sammel­linse bzw. einen Kondensor trifft, wird anschlie­ßend ein paralleles Licht­strahlen­bündel auf ein zu betrach­tendes Objekt gelenkt. Hinter dem Gegen­stand befindet sich eine Objektiv­linse, dessen Brenn­weite etwas kleiner ist, als der Abstand des Gegen­standes zum Objektiv. Typischer­weise kann der Gegen­stand bei einer solchen Betrachtung durch­leuchtet werden.

Hinter der Objektiv­linse wird das Objekt dann entspre­chend der Strahlen­geometrie vergrö­ßert dar­gestellt. Zur noch­maligen Vergrö­ßerung des betrach­teten Objektes befindet sich hinter der Bild­ebene ein Okular, welches im Wesent­lichen einer Lupe ent­spricht. Auf diese Weise wird das reelle Bild mehr­fach vergrö­ßert dar­gestellt.

Worauf es uns hier besonders ankommt, ist die Art und Weise, wie durch eine solche Linsen-Anord­nung ein Gegen­stand vergrö­ßert dar­gestellt werden kann. Aller­dings sind mit einer solchen Vorrich­tung dem Auflösungs­vermögen recht bald Grenzen gesetzt.




Auflösungsvermögen eines Mikroskops

Um dieser Frage näher auf den Grund zu gehen, werden wir den Vorgang nicht aus Sicht des Strahlen­aspektes dar­stellen, sondern Auf­grund des Wellen­aspektes. Hierzu betrach­tet man mit dem Mikroskop ein Gitter und unter­sucht, bis zu welchen Gitter­konstanten dieses Gitter noch auf­gelöst werden kann.

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Auch hierbei geht von einer Licht­quelle ein Licht­strahl aus, der mittels eines Kondensors ein Licht­strahlen­bündel bewirkt. Im weiteren Verlauf trifft der Strahl jetzt auf ein Gitter, sodass nun die Fraun­hofer'sche Beugung zum Tragen kommt. Im Anschluss befindet sich eben­falls eine Objektiv­linse, dessen Brenn­weite etwas kleiner ist, als der Abstand des Gitters von dem Objektiv. Analog zu oben wird die Objektiv­linse die Gitter­struktur hinter der Linse in einem reellen und vergrö­ßerten Bild auf der Bild­ebene dar­stellen.

Es stellt sich jetzt die Frage, wie wird es aus Sicht der Beugung zu einer Abbildung an dem Gitter kommen?

Zunächst gibt es, wie nicht anders zu erwarten, ein Parallel­strahlen­bündel der nullten Ordnung. Und dieses Strahlen­bündel wird im Brenn­punkt der Objektiv­linse auf der Brenn­ebene gesammelt. Aber es gibt auch gemäß der Fraun­hofer'schen Beugung schräg verlaufende Strahlen, die zusätz­lich Parallel­strahlen­bündel der ersten Ordnung erzeugen und auf der Brenn­ebene zusammen­laufen. Weitere Parallel­strahlen­bündel höherer Ordnungen rufen ihrer­seits eben­falls versetzte Brenn­punkte hervor. Zwischen den Brenn­punkten gibt es daher Schatten­bereiche.

Als Ergebnis erhält man also kohärente Licht­quellen auf der Brenn­ebene, die anschlie­ßend in der Bild­ebene so inter­ferieren, dass dort ein Bild des Gegen­standes entsteht. Ein Bild wird aber nur dann erzeugt, wenn zumin­dest die erste Beugungs­ordnung vor­handen ist. Je feiner die Gitter­struktur, desto größer wird die Spreizung der höheren Ordnungen.

Denn wenn in obiger Beziehung die Gitter­konstante d kleiner wird, muss der Beugungs­winkel ϑ bei gleicher Wellen­länge größer werden. In Grenz­situa­tionen hat das zur Folge, dass die Licht­strahlen möglicher­weise die Objektiv­linse nicht mehr treffen. Und wenn in einem solchen Fall nicht einmal die erste Beugungs­ordnung zustande kommt, sieht man nichts, außer einer gleich­mäßigen Beleuch­tung in der Bild­ebene.

Im Umkehr­schluss heißt das demnach, je mehr Beugungs­ordnungen auf­treten, desto schärfer wird das Bild. Was wird nun das kleinste auflös­bare Detail sein? In der ersten Beugungs­ordnung lässt sich das definieren als:

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Aus diesem Grund haben Mikros­kope mög­lichst kleine Brenn­weiten. Dadurch wird trotz größerem Beugungs­winkel aus Sicht des Objektivs das Auflösungs­vermögen feiner und feiner. Beim Mikroskop ist also nicht die Vergröße­rung ent­schei­dend, sondern das Auflösungs­vermögen.

Das Auflösungs­vermögen wird daher definiert als:

Aus dieser Beziehung, die auf den Physiker Ernst Abbe zurück­geht, lässt sich erkennen, dass man mittels eines Elektronen­strahls die Wellen­länge um mehrere Größen­ordnungen herunter­setzen kann, nämlich auf die De-Broglie-Wellenlänge von Elek­tronen. Der Nach­teil ist aller­dings, dass man hier­für Sensoren benötigt, um eine Abbildung des Gegen­standes sicht­bar zu machen. Und mit Glas­linsen ist das auch nicht mehr zu bewerk­stelligen.

Da die Elek­tronen aber eine negative Elementar­ladung besitzen, lassen sich mit Hilfe entspre­chender Magnet­felder diese Elek­tronen umlenken. Das sind dann quasi „magne­tische” Linsen, die den Elektronen­strahl aus­richten und einen ähn­lichen Abbildungs­vorgang erzielen, wie bei den Licht­mikroskopen.

Die Auflösung ist mittler­weile so gut, dass atomare Kristall­strukturen mit den einzelnen Gitter­atomen sicht­bar gemacht werden können. Auf diese Weise konnten theore­tische Modelle über die Gitter­strukturen konkret bestätigt werden.

Hier sei noch erwähnt, dass sich die ganze Betrach­tung im Hoch­vakuum abspielt, und deshalb nur solche Objekte genauer unter­sucht werden können, die vakuum­geeignet sind. Insofern sind neuere Techno­logien wie die Röntgen­laser auch nur bedingt einsetz­bar, weil diese schäd­lichen Einfluss auf die Objekte nehmen.

In gleicher Weise kommt es bei den klassischen Fern­rohren auf den Radius der Eingangs­öffnung an, wie gut das Auf­lösungs­vermögen ist. Da dies aber bei zuneh­mender Größe, unter anderem wegen der Schwingungen, mit Glas­linsen nicht mehr zu realisieren ist, sind alle großen Teleskope auf dem Prinzip des Parabol­spiegels aufgebaut.

Deshalb sind auch die Weltraum­teleskope Spiegel­teleskope, die als Objektiv einen Hohl­spiegel besitzen.





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