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Die Wellenoptik beschreibt Licht als elektromagnetische Welle und erklärt Phänomene wie Interferenz, Beugung, Polarisation, die Farbwahrnehmung, Absorption und die chromatische Aberration.
Während die geometrische Optik Licht vereinfacht als gerade Strahlen betrachtet, befasst sich die Wellenoptik mit der Natur des Lichts als elektromagnetische Transversalwelle. Diese Betrachtung ist essenziell, um Effekte zu verstehen, die auftreten, wenn Licht auf Strukturen trifft, die ähnlich klein wie seine Wellenlänge sind.
Eine grundlegende Beziehung verknüpft die Ausbreitungsgeschwindigkeit c mit der Wellenlänge λ und der Frequenz f: c = λ * f. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit c0 etwa 299.792 km/s, in einem Medium ist sie um den Brechungsindex n verringert. Geht Licht von einem Medium in ein anderes über, so ändert sich die Wellenlänge proportional zur Geschwindigkeit, während die Frequenz f konstant bleibt.
Das fundamentale Huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen, kugelförmigen Elementarwelle betrachtet werden kann. Die Einhüllende aller dieser Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront zu einem späteren Zeitpunkt.
Wenn sich zwei oder mehr Wellen überlagern, tritt das Phänomen der Interferenz auf. Treffen zwei Wellenberge aufeinander, addieren sich ihre Amplituden zur konstruktiven Interferenz (Verstärkung). Trifft ein Wellenberg auf ein Wellental, kommt es zur destruktiven Interferenz (Auslöschung).
Damit ein zeitlich stabiles Interferenzmuster entstehen kann, müssen die Lichtquellen kohärent sein. Das bedeutet, dass sie die gleiche Frequenz besitzen und eine zeitlich konstante Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Laserlicht ist ein typisches Beispiel für kohärentes Licht.
Die Beugung (Diffraktion) beschreibt die Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung des Lichts an Hindernissen oder Öffnungen. Durch das Huygenssche Prinzip gelangen Elementarwellen auch in den geometrischen Schattenraum hinter einer Kante, was besonders deutlich wird, wenn die Öffnung etwa so groß wie die Wellenlänge ist.
Das Doppelspaltexperiment demonstriert eindrucksvoll die Wellennatur des Lichts. Licht fällt durch zwei enge Spalte, wird an diesen gebeugt und breitet sich dahinter in Form von Kugelwellen aus. Die Überlagerung dieser Wellen erzeugt auf einem Schirm ein Interferenzmuster aus hellen (konstruktive Interferenz) und dunklen (destruktive Interferenz) Streifen. Dieses Phänomen tritt nicht nur bei Licht, sondern auch bei anderen Quantenobjekten wie Elektronen, Protonen oder ganzen Atomen auf und belegt deren Doppelnatur als Welle und Teilchen.
Die Polarisation ist eine Eigenschaft, die nur bei Transversalwellen vorkommt. Sie gibt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors an. Während natürliches Sonnenlicht unpolarisiert ist (in alle Richtungen schwingt), schwingt linear polarisiertes Licht nur in einer einzigen Ebene.
Der Gangunterschied (Delta s) ist die Differenz der Wegstrecken zweier Wellen von ihren Quellen zu einem Punkt. Beträgt dieser Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge (k * Lambda), kommt es zur maximalen Verstärkung. Beträgt er ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ((2k+1) * Lambda/2), löschen sich die Wellen aus.
Die wahrgenommene Farbe von Licht hängt unmittelbar von seiner Wellenlänge ab: Rotes Licht hat eine Wellenlänge um 700 nm (niedrige Frequenz), blaues Licht liegt bei etwa 400 nm (hohe Frequenz). Wellenlängen außerhalb dieses sichtbaren Bereichs wie Infrarot oder Ultraviolett sind für das menschliche Auge unsichtbar. Das Auge besitzt drei Typen von Farbrezeptoren (Zapfen) für Rot, Grün und Blau. Durch additive Farbmischung werden alle Farbwahrnehmungen erzeugt: Werden alle drei Rezeptoren gleich stark gereizt, entsteht der Eindruck Weiß; fehlt ein Rezeptortyp, liegt eine Farbenblindheit vor.
Trifft Licht auf Materie, kann es absorbiert werden. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt von der Dichte des Materials ab: In Luft gibt es kaum Zusammenstöße mit Molekülen – Licht durchquert sie nahezu ungehindert. Dichte Medien wie Holz absorbieren das meiste Licht an der Oberfläche. Die Farbe eines undurchsichtigen Körpers wird dadurch bestimmt, welche Wellenlängen er reflektiert. So erscheint ein Objekt rot, wenn es vorwiegend rotes Licht zurückwirft und andere Anteile absorbiert. Schwarze Flächen absorbieren fast alle Wellenlängen und wandeln die Energie in Wärme um, weshalb sie sich in der Sonne besonders stark aufheizen. Weiße Flächen reflektieren nahezu alles. Materialien wie Glas, flüssiges Wasser und Plexiglas sind durchsichtig, weil ihre Elektronen im sichtbaren Bereich fast keine anregbaren Zustände besitzen – sichtbares Licht wird kaum absorbiert. Glas hingegen absorbiert ultraviolettes Licht.
Die chromatische Aberration ist ein wellenoptischer Farbabbildungsfehler, der vor allem an den Rändern von Sammellinsen auftritt. Er entsteht, weil der Brechungsindex eines Materials von der Wellenlänge abhängt: Kurzwelliges blaues Licht wird stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht. Dadurch fächert weißes Licht in seine Spektralfarben auf und die Farben treffen nicht exakt im gleichen Brennpunkt zusammen. Auch im menschlichen Auge tritt chromatische Aberration auf, wird jedoch teilweise durch die Linse selbst und durch nachträgliche Bildverarbeitung im Gehirn ausgeglichen.
