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Strukturen aus Licht: Strukturiertes Licht und Beugung

 

Lineare Lichtstrahlen?

Meist breitet sich Licht in Form von scheinbar schnurgeraden Strahlen aus, aber das ist nicht ganz richtig! Wenn Licht durch Gegenstände teilweise aufgehalten wird, weichen die verbleibenden Strahlen ein kleines bisschen von ihrer geraden Richtung ab. Man spricht von "Beugung". Je kleiner die Gegenstände, umso stärker ist die Abweichung, umso leichter lässt sie sich also feststellen. Besonders interessante Effekte entstehen, wenn die Gegenstände eine regelmäßige Struktur haben. Dann entstehen faszinierende Muster. In diesem Experiment können Sie solche Muster selbst erzeugen! Dazu kreieren Sie zunächst verschiedene regelmäßig strukturierte "Gegenstände" und betrachten dann ihre Wirkung auf das Licht. Die Symmetrie der Gegenstände wirkt sich auf die Symmetrie des entstehenden Lichtmusters aus. Aber anders, als man vielleicht vermutet.

 

Knicke im Kerzenlicht!

Im Bild sehen Sie ein Foto einer Kerze, das durch einen sehr dünnen, fein gewebten Vorhangstoff aufgenommen wurde. Der Vorhangstoff ist unser Gegenstand, der die Lichtstrahlen so abgelenkt hat, dass zusätzliche Bilder der Kerze entstanden sind, helle Bilder entlang zweier Achsen und weitere, schwächere Bilder. Diese "quadratische" Anordnung entsteht, weil das Gewebe des Vorhangs aus kleinen Quadraten besteht. Das Vorhanggewebe erzeugt aus weißem Kerzenlicht Bilder in verschiedenen Farben. Bei einem rein gelben "LED-Teelicht" gibt es dagegen ein Muster aus rein gelben Bildern. Was würde wohl bei einem Stoff mit dreieckigen Löchern für ein Muster entstehen? Das hängt davon ab, wie man die Dreiecke anordnet!

Die Linse des Fotoapparats oder die des menschlichen Auges sind übrigens entscheidend, um die schwache Lichtablenkung sichtbar zu machen. Sie können das Experiment auch ohne Kamera zu hause durchführen. Die Kerze sollte eine Entfernung von mehreren Metern vom Vorhang haben und der Stoff des Vorhangs nah am Auge sein. Wichtig ist ein fein gewebter Stoff.

 

Ein Experiment

Man könnte nun verschiedene Gegenstände mit regelmäßigen Strukturen herstellen und in einen Lichtstrahl halten. Wir verwenden stattdessen einen "räumlichen Lichtmodulator", mit dem man auf Knopfdruck die Lichtdurchlässigkeit von vielen tausend kleinen Elementen (Pixeln) steuern kann. So lassen sich am Computer blitzschnell nahezu beliebige "Gegenstände" erzeugen. Statt einer solchen räumlichen Amplitudenmodulation kann man auch die Phase des Lichts räumlich modulieren. Dies führt zu einer größeren Helligkeit. Das Bild auf der Kamera wird in beiden Fällen mathematisch durch eine so genannte Fouriertransformation beschrieben, die Symmetrien sehr schön sichtbar macht.

Probieren Sie es aus! Wählen Sie ein Muster oder kombinieren Sie mehrere Muster. Überlegen Sie, welche Symmetrien in dem Muster vorhanden sind und wie sie in der Lichtstruktur erscheinen werden!



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