David Stefan Tannhauser

PATTERN FORMATION IN DRYING WATER FILMS

We describe experimental observations of water films evaporating from clean mica substrates. The films break up into coexisting thick and thin regions, the boundary between them forming well-defined patterns. The dynamic patterns demonstrate characteristic features which can be related to simulations of diffusion-limited growth in isotropic two-dimensional systems. The observations are related to a model for a volatile thin film bound to a substrate by both Van der Waals and polar forces.

Eine kurze Geschichte der Optik

Wir mochten dieses Buch mit einem kurzen Kapitel uber die Geschichte der Optik beginnen. Wissenschaftliche Theorien und Konzepte haben hre eigene Entstehungsgeschichte, die oft zum Verstandnis viel beitragen kann. Deswegen sollen hier zunachst die entscheidenden Entdeckungen und Entwicklungen der Optik vorgestellt werden.

Optische Wellenleiter und brechungsindexmodulierte Medien

In diesem Kapitel werden wir uns mit zwei Beispielen elektromagnetischer Wellen beschaftigen, die sich in Systemen ausbreiten, in denen die Naherung der skalaren Wellen aufgrund der kleinen Abmessungen der beteiligten Komponenten nicht mehr gilt. Das erste Beispiel ist der optische Wellenleiter, aus dem taglichen Leben als Glasfaser bekannt, die in der Telekommunikationsindustrie eine wahre Revolution ausgelost hat. Das zweite Beispiel ist ein dielektrisches Vielschichtsystem, das in seiner einfachsten Form (die λ/4-Antireflexbeschichtung) bereits seit mehr als einem Jahrhundert verwendet wird und das heute dazu verwendet wird, optische Filter beliebiger Komplexitat, die heute zur Standardausrustung jedes Labors gehoren, herzustellen.

Polarisation und anisotrope Medien

In diesem Kapitel werden wir uns mit elektromagnetischen Wellen beschaftigen, deren Feldvektor E eine definierte Richtung zum Wellenvektor k besitzt. Solche Wellen heisen „polarisiert“. Wir werden auserdem Medien kennenlernen, deren Eigenschaften richtungsabhangig sind. Dies gilt fur viele in der Natur vorkommende Materialien. Solche Medien heisen „anisotrop“. Das Verhalten elektromagnetischer Wellen in anisotropen Materialien hat weitreichende Anwendungen in der Optik gefunden.

Fraunhofer-Beugung und Interferenz

In der Optik kommt es in zahlreichen Fallen zu einer Uberlagerung von Wellen, die entweder von verschiedenen Quellen oder aber einer Einzelquelle stammen konnen. Die dann auftretenden Effekte werden allgemein Interferenzeffekte genannt und bilden die Grundlage fur zahlreiche Anwendungen, vor allem in der Festkorperphysik und der Kristallographie. Die Fraunhofer-Beugung ist durch einen linearen Phasenverlauf wahrend des Beugungsvorgangs gekennzeichnet. Wir werden sie fur verschiedene Beispiele berechnen.

Quantenoptik und Laser

Die moderne Physik ist ohne die Konzepte aus der Quantenmechanik und die daraus entstehenden Anwendungen nicht vorstellbar. Ein Problem aus der Optik, das Spektrum eines schwarzen Korpers, war Ausgangspunkt fur die Entstehung der Quantentheorie. Auf der Erklarung dieses Phanomens aufbauend, werden wir in diesem Kapitel die Grundlagen der Quantenoptik einfuhren und den Laser als ihre wichtigste Anwendung kennenlernen.

Die klassische Dispersionstheorie

Der Begriff „Dispersion“ beschreibt die Abhangigkeit der dielektrischen Antwortfunktionen (Dielektrizitatskonstante und Brechungsindex) von der Frequenz der Wellenfeldes. Sie wird durch die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie auf atomarer Skala bestimmt. Daraus ergeben sich zahlreiche optische Phanomene. Auserdem betrachten wir einige Anwendungen der dielektrischen Antwort auf Effekte, die aufgrund raumlicher Anisotropie zustande kommen.