Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften

Name: Optik in Ingenieur- und Naturwissenschaften | Aufgaben mit Lösungen
Brand: Hanser
Price: 29.99 EUR
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Aufgaben mit Lösungen

Rolf Martin(Autor*in)

Hanser (Verlag)

2. Auflage

Erschienen am 9. Oktober 2023

252 Seiten

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978-3-446-47878-7 (ISBN)

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Inhalt

Intro
Vorwort
Inhalt
Zum?Geleit
Teil?I Aufgaben
1 Einleitung
1.1 Lichtwellenlängen
1.2 Welleneigenschaften
2 Geometrische Optik
2.1 Lichtstrahlen, optische Abbildung
2.2 Fermat'sches Prinzip
2.3 Reflexion von Lichtstrahlen
2.3.1 Reflexionsgesetz aus Fermat'schem Prinzip
2.3.2 Winkelspiegel
2.3.3 Rotierende Flüssigkeit als Parabolspiegel
2.3.4 Konstruktive Verfolgung eines schiefen Strahls bei einem Spiegel
2.3.5 Abbildung eines weit entfernten Gegenstands durch einen Hohlspiegel
2.3.6 Newton'sche Abbildungsgleichung beim Hohlspiegel
2.3.7 Abbildung durch Hohl- und Wölbspiegel
2.3.8 Vergrößerung eines Kosmetikspiegels
2.4 Brechung des Lichts
2.4.1 Brechungsgesetz aus Fermat'schem Prinzip
2.4.2 Codenummern optischer Gläser
2.4.3 Brechung an einem Glaswürfel
2.4.4 Brechung und Totalreflexion an einem Prisma
2.4.5 Brechzahlbestimmung
2.4.6 Numerische Apertur einer Glasfaser
2.4.7 Minimaler Ablenkwinkel am Prisma
2.4.8 Bauernfeind-Prisma
2.4.9 Abbe-Refraktometer
2.5 Brechung an gekrümmten Flächen
2.5.1 Kartesisches Ovaloid
2.5.2 Vergleich Kartesisches Ovaloid und Kugelfläche
2.5.3 Stablinse mit Abbe'scher Invariante
2.5.4 Kugellinse mit Abbe'scher Invariante
2.5.5 Kugelförmiges Aquarium
2.6 Abbildung durch Linsen
2.6.1 Linse an Luft und Wasser
2.6.2 Brennweite in Abhängigkeit vom umgebenden Medium
2.6.3 Linsenschleifergleichung
2.6.4 Linsenschleifergleichung
2.6.5 Bessel-Verfahren zur Brennweitenbestimmung
2.6.6 Abbildungsfälle bei einer Sammellinse
2.6.7 Abbildungsfälle bei einer Zerstreuungslinse
2.6.8 Abbildung eines weit entfernten Gegenstandes
2.6.9 Linsensystem mit drei Linsen
2.6.10 Dicke Linse, Fermat'sches Prinzip
2.6.11 Abbildung durch eine dicke Plankonvexlinse
2.6.12 Brennweite einer dicken Plankonvexlinse
2.6.13 Brennweite und Hauptebenen einer dicken Meniskuslinse
2.6.14 Brechkraft einer dicken Bikonvexlinse
2.6.15 Stablinse
2.6.16 Anamorphotische Abbildung
2.6.17 Linsensystem aus zwei Sammellinsen
2.6.18 Linsensystem aus Sammel- und Zerstreuungslinse
2.6.19 Achromat
2.6.20 Hauptebenen dicker Linsen
2.7 Matrixmethoden der Gauß'schen Optik
2.7.1 Laserschneidkopf
2.7.2 Dreilinsiges System
2.7.3 Systemmatrix
2.7.4 Kollimation mit GRIN-Linse
2.7.5 Abbildung mit GRIN-Linse
2.7.6 Unterwasserlampe
2.7.7 Dünne Linse in verschiedenen Medien
2.7.8 Kombination aus Zerstreuungslinse und Hohlspiegel
2.7.9 Kameraobjektiv
2.8 Strahlbegrenzungen
2.8.1 Pupillen
2.8.2 Pupillenlagen und Öffnungswinkel
2.8.3 Pupillen und Öffnungswinkel eines Systems
2.8.4 Luken
2.8.5 Luken und Pupillen
2.8.6 Fernrohr mit Feldblende und Feldlinse
2.8.7 Blendenlage
2.9 Abbildungsfehler
2.9.1 Fehlerarten
2.9.2 Farbfehler
2.9.3 Linsenanordnung für minimalen Öffnungsfehler
2.9.4 Linse bester Form
2.9.5 Reduktion der Koma
2.9.6 Beseitigung des Astigmatismus
2.9.7 Achromatisches Dublett
2.10 Optische Instrumente
2.10.1 Augenmodell mit Matrizenmethoden
2.10.2 Akkomodation der Augenlinse
2.10.3 Korrektur der Kurzsichtigkeit mit Kontaktlinse
2.10.4 Lupenvergrößerung
2.10.5 Huygens-Okular
2.10.6 Mikroskopvergrößerung
2.10.7 Förderliche Vergrößerung eines Mikroskops
2.10.8 Astronomisches Fernrohr
2.10.9 Galilei'sches Fernrohr
2.10.10 Auflösungsvermögen einer Digitalkamera
2.10.11 Schärfentiefe bei Nahaufnahmen
3 Radio- und Fotometrie
3.1 Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie
3.1.1 Kollimationsausbeute bei Kugelstrahler
3.1.2 Kollimationsausbeute bei Lambert-Strahler
3.1.3 Abstrahlung einer LED
3.1.4 Ebene Fläche strahlt auf Detektor
3.1.5 Strahldichte einer diffus reflektierenden Fläche
3.1.6 Wien'sches Verschiebungsgesetz
3.1.7 Stefan-Boltzmann-Gesetz
3.1.8 Lichtleitwert
3.2 Erfassen und Transfer der Strahlung von?Lampen
3.2.1 Kenngrößen
3.2.2 Ulbrichtkugel
3.2.3 Bestrahlungsstärke in der Ulbrichtkugel
3.3 Lichttechnische Größen, Fotometrie
3.3.1 Lichtstrom einer roten LED
3.3.2 Lichtstrom einer Wolfram-Halogen-Lampe
3.3.3 Hellempfindlichkeitsgrad
3.3.4 Abstrahlcharakteristik einer LED
3.3.5 Straßenbeleuchtung
3.3.6 Leuchtdichte der Sonne
3.4 Lichttechnische Größen, Fotometrie
3.4.1 Farbwertanteile eines schwarzen Strahlers
3.4.2 Farbwertanteile einer LED
3.4.3 Farbwertanteile einer Wolfram-Halogen-Lampe
3.4.4 Farbmischung
4 Wellenoptik
4.1 Elektromagnetische Wellen
4.1.1 Sichtbares Spektrum
4.1.2 Wellengleichung in Abhängigkeit von der Laufrichtung
4.1.3 Laufrichtung einer Welle
4.1.4 Kugelwelle
4.1.5 Ebene Wellen in verschiedenen Richtungen
4.1.6 Feldstärken solarer Strahlung
4.2 Polarisation des Lichts
4.2.1 Polarisationsformen
4.2.2 Jones-Vektoren
4.2.3 Interpretation von Jones-Vektoren
4.2.4 Gesetz von Malus
4.2.5 Viertel- und Halbwellenplatte
4.2.6 Jones Matrizen
4.2.7 Polarisation durch Reflexion
4.2.8 Polarisationsfolien
4.2.9 Gesetz von Malus mit realen Polarisatoren
4.2.10 Tripel-Polarisator
4.2.11 Indexellipsoid in einachsigen Kristallen
4.2.12 Glan-Taylor-Prisma
4.2.13 Rochon-Prisma
4.2.14 ?/2-Platte nullter Ordnung
4.2.15 Licht-Modulator
4.3 Lichtwellen an Grenzflächen
4.3.1 Fresnel'sche Gleichungen
4.3.2 Fresnel-Rhombus
4.3.3 Totalreflexion
4.3.4 Reflexion an einer Metalloberfläche
4.4 Interferenz
4.4.1 Gangunterschied
4.4.2 Zweistrahlinterferenz
4.4.3 Laser-Array
4.4.4 Doppelspalt
4.4.5 Kohärenzeigenschaften eines Halbleiterlasers
4.4.6 Kohärenzeigenschaften einer Spektrallampe
4.4.7 Gruppenindex
4.4.8 Gruppenindex von Quarzglas
4.4.9 Holografisches Gitter
4.4.10 Stehende Wellen im Laser-Resonator
4.4.11 Farbreflexe einer Seifenlamelle
4.4.12 Fizeau-Streifen
4.4.13 Reflexvermindernde Einfachschicht
4.4.14 Reflexvermindernde Einfachschicht für Unterwasserkamera
4.4.15 Dielektrischer Spiegel
4.4.16 Michelson-Interferometer
4.4.17 Wärmeausdehnung mit Michelson-Interferometer
4.4.18 Fabry-Perot-Interferometer
4.4.19 Fabry-Perot-Interferometer - Auflösungsvermögen
4.5 Beugung
4.5.1 Huygens'sches Prinzip
4.5.2 Spaltbeugung
4.5.3 Beugung am Rechteckspalt
4.5.4 Intensitätsverhältnisse bei der Spaltbeugung
4.5.5 Linsenfokus
4.5.6 Auflösungsvermögen des Auges und Pixelbilder
4.5.7 Airy-Scheibchen
4.5.8 Doppelspalt
4.5.9 Auflösung eines Gitters
4.5.10 Spektrometer mit Reflexionsgitter
4.5.11 Lineare Dispersion
4.6 Gauß'sche Strahlen
4.6.1 Strahlradius
4.6.2 Lunar Laser Ranging
4.6.3 Gaußstrahl
4.6.4 Laserfokussierung
4.6.5 Laser mit geringer Divergenz
4.7 Holografie
4.7.1 Weißlichthologramm
4.7.2 Intensitätsverlauf bei Hologramm-Belichtung
5 Quantenoptik
5.1 Lichtquanten
5.1.1 Äußerer Fotoeffekt
5.1.2 Innerer Fotoeffekt
5.1.3 Lichtdruck
5.1.4 Druck solarer Photonen
5.1.5 Photonenenergien und -impulse
5.1.6 Elektron-Photon-Stoß
5.2 Welle-Teilchen-Dualismus
5.2.1 Antreffwahrscheinlichkeit gebeugter Photonen
5.3 Absorption und Emission von Licht
5.3.1 Photonabsorption
5.3.2 Impuls- und Energieerhaltung bei der Emission
5.3.3 Lebensdauer angeregter Elektronen und spektrale Linienbreite
5.4 Laser
5.4.1 Verstärkung eines Lasers
5.4.2 Reflexionsgrad von Laserspiegeln
5.4.3 Frequenzänderung infolge von Längenänderung
5.4.4 Monomode-Laser
5.4.5 Laser-Pulse
5.4.6 Femtosekundenlaser
6 Optoelektronik
6.1 Halbleiter-Sender
6.1.1 Temperaturdrift der LED-Farbe
6.1.2 Wirkungsgrade einer LED
6.1.3 Plastik-Vergusskörper einer LED
6.1.4 Modulation einer IRED
6.1.5 Temperaturabhängigkeit der Laserschwelle
6.1.6 Abstand longitudinaler Moden
6.1.7 Modensprünge
6.1.8 Modulation eines Halbleiterlasers
6.1.9 Laserschwelle
6.1.10 DFB-Laser
6.2 Halbleiter-Detektoren
6.2.1 Eindringtiefe von Photonen
6.2.2 Quantenausbeute und Empfindlichkeit
6.2.3 Detektivität von pin-Fotodioden
6.2.4 Lawinenfotodiode
6.2.5 Silicium-Fotodiode
7 Führung von Licht in?Lichtwellenleitern
7.1 Einleitung
7.1.1 Eigenschaften von Lichtwellenleitern
7.2 Schichtwellenleiter
7.2.1 Doppelheterostruktur
7.3 Wellen in zylindrischen Fasern
7.3.1 Stufenindex-Faser
7.3.2 Monomode-Faser
7.3.3 Zusammensetzung des Faserkerns
7.4 Dämpfung in Lichtwellenleitern
7.4.1 Dämpfungskoeffizient
7.4.2 Dämpfung in PMMA
7.4.3 Abschneidemethode
7.4.4 Wechsel des Sendelasers
7.4.5 Nachrichtenübertragung auf POF
7.5 Dispersion im Lichtwellenleiter
7.5.1 Bitrate einer Stufenindex-Faser
7.5.2 Bitrate einer Plastikfaser
7.5.3 Kombination von Dispersionsmechanismen
7.5.4 Dispersion einer Multimodefaser
Teil?II Lösungen
1 Einleitung
1.1 Lichtwellenlängen
1.2 Welleneigenschaften
2 Geometrische Optik
2.1 Lichtstrahlen, optische Abbildung
2.3 Reflexion von Lichtstrahlen
2.3.1 Reflexionsgesetz aus Fermat'schem Prinzip
2.3.2 Winkelspiegel
2.3.3 Rotierende Flüssigkeit als Parabolspiegel
2.3.4 Konstruktive Verfolgung eines schiefen Strahls bei einem Spiegel
2.3.5 Abbildung eines weit entfernten Gegenstands durch einen Hohlspiegel
2.3.6 Newton'sche Abbildungsgleichung beim Hohlspiegel
2.3.7 Abbildung durch Hohl- und Wölbspiegel
2.3.8 Vergrößerung eines Kosmetikspiegels
2.4 Brechung des Lichts
2.4.1 Brechungsgesetz aus Fermat'schem Prinzip
2.4.2 Codenummern optischer Gläser
2.4.3 Brechung an einem Glaswürfel
2.4.4 Brechung und Totalreflexion an einem Prisma
2.4.5 Brechzahlbestimmung
2.4.6 Numerische Apertur einer Glasfaser
2.4.7 Minimaler Ablenkwinkel am Prisma
2.4.8 Bauernfeind-Prisma
2.4.9 Abbe-Refraktometer
2.5 Brechung an gekrümmten Flächen
2.5.1 Kartesisches Ovaloid
2.5.2 Vergleich Kartesisches Ovaloid und Kugelfläche
2.5.3 Stablinse mit Abbe'scher Invariante
2.5.4 Kugellinse mit Abbe'scher Invariante
2.5.5 Kugelförmiges Aquarium
2.6 Abbildung durch Linsen
2.6.1 Linse an Luft und Wasser
2.6.2 Brennweite in Abhängigkeit vom umgebenden Medium
2.6.3 Linsenschleifergleichung
2.6.4 Linsenschleifergleichung
2.6.5 Bessel-Verfahren zur Brennweitenbestimmung
2.6.6 Abbildungsfälle bei einer Sammellinse
2.6.7 Abbildungsfälle bei einer Zerstreuungslinse
2.6.8 Abbildung eines weit entfernten Gegenstandes
2.6.9 Linsensystem mit drei Linsen
2.6.10 Dicke Linse, Fermat'sches Prinzip
2.6.11 Abbildung durch eine dicke Plankonvexlinse
2.6.12 Brennweite einer dicken Plankonvexlinse
2.6.13 Brennweite und Hauptebenen einer dicken Meniskuslinse
2.6.14 Brechkraft einer dicken Bikonvexlinse
2.6.15 Stablinse
2.6.16 Anamorphotische Abbildung
2.6.17 Linsensystem aus zwei Sammellinsen
2.6.18 Linsensystem aus Sammel- und Zerstreuungslinse
2.6.19 Achromat
2.6.20 Hauptebenen dicker Linsen
2.7 Matrixmethoden der Gauß'schen Optik
2.7.1 Laserschneidkopf
2.7.2 Dreilinsiges System
2.7.3 Systemmatrix
2.7.4 Kollimation mit GRIN-Linse
2.7.5 Abbildung mit GRIN-Linse
2.7.6 Unterwasserlampe
2.7.7 Dünne Linse in verschiedenen Medien
2.7.8 Kombination aus Zerstreuungslinse und Hohlspiegel
2.7.9 Kameraobjektiv
2.8 Strahlbegrenzungen
2.8.1 Pupillen
2.8.2 Pupillenlagen und Öffnungswinkel
2.8.3 Pupillen und Öffnungswinkel eines Systems
2.8.4 Luken
2.8.5 Luken und Pupillen
2.8.6 Fernrohr mit Feldblende und Feldlinse
2.8.7 Blendenlage
2.9 Abbildungsfehler
2.9.1 Fehlerarten
2.9.2 Farbfehler
2.9.3 Linsenanordnung für minimalen Öffnungsfehler
2.9.4 Linse bester Form
2.9.5 Reduktion der Koma
2.9.6 Beseitigung des Astigmatismus
2.9.7 Achromatisches Dublett
2.10 Optische Instrumente
2.10.1 Augenmodell mit Matrizenmethoden
2.10.2 Akkomodation der Augenlinse
2.10.3 Korrektur der Kurzsichtigkeit mit Kontaktlinse
2.10.4 Lupenvergrößerung
2.10.5 Huygens-Okular
2.10.6 Mikroskopvergrößerung
2.10.7 Förderliche Vergrößerung eines Mikroskops
2.10.8 Astronomisches Fernrohr
2.10.9 Galilei'sches Fernrohr
2.10.10 Auflösungsvermögen einer Digitalkamera
2.10.11 Schärfentiefe bei Nahaufnahmen
3 Radio- und Fotometrie
3.1 Strahlungsphysikalische Größen, Radiometrie
3.1.1 Kollimationsausbeute bei Kugelstrahler
3.1.2 Kollimationsausbeute bei Lambert-Strahler
3.1.3 Abstrahlung einer LED
3.1.4 Ebene Fläche strahlt auf Detektor
3.1.5 Strahldichte einer diffus reflektierenden Fläche
3.1.6 Wien'sches Verschiebungsgesetz
3.1.7 Stefan-Boltzmann-Gesetz
3.1.8 Lichtleitwert
3.2 Erfassen und Transfer der Strahlung von?Lampen
3.2.1 Kenngrößen
3.2.2 Ulbrichtkugel
3.2.3 Bestrahlungsstärke in der Ulbrichtkugel
3.3 Lichttechnische Größen, Fotometrie
3.3.1 Lichtstrom einer roten LED
3.3.2 Lichtstrom einer Wolfram-Halogen-Lampe
3.3.3 Hellempfindlichkeitsgrad
3.3.4 Abstrahlcharakteristik einer LED
3.3.5 Straßenbeleuchtung
3.3.6 Leuchtdichte der Sonne
3.4 Lichttechnische Größen, Fotometrie
3.4.1 Farbwertanteile eines schwarzen Strahlers
3.4.2 Farbwertanteile einer LED
3.4.3 Farbwertanteile einer Wolfram-Halogen-Lampe
3.4.4 Farbmischung
4 Wellenoptik
4.1 Elektromagnetische Wellen
4.1.1 Sichtbares Spektrum
4.1.2 Wellengleichung in Abhängigkeit von der Laufrichtung
4.1.3 Laufrichtung einer Welle
4.1.4 Kugelwelle
4.1.5 Ebene Wellen in verschiedenen Richtungen
4.1.6 Feldstärken solarer Strahlung
4.2 Polarisation des Lichts
4.2.1 Polarisationsformen
4.2.2 Jones-Vektoren
4.2.3 Interpretation von Jones-Vektoren
4.2.4 Gesetz von Malus
4.2.5 Viertel- und Halbwellenplatte
4.2.6 Jones Matrizen
4.2.7 Polarisation durch Reflexion
4.2.8 Polarisationsfolien
4.2.9 Gesetz von Malus mit realen Polarisatoren
4.2.10 Tripel-Polarisator
4.2.11 Indexellipsoid in einachsigen Kristallen
4.2.12 Glan-Taylor-Prisma
4.2.13 Rochon-Prisma
4.2.14 ?/2-Platte nullter Ordnung
4.2.15 Licht-Modulator
4.3 Lichtwellen an Grenzflächen
4.3.1 Fresnel'sche Gleichungen
4.3.2 Fresnel-Rhombus
4.3.3 Totalreflexion
4.3.4 Reflexion an einer Metalloberfläche
4.4 Interferenz
4.4.1 Gangunterschied
4.4.2 Zweistrahlinterferenz
4.4.3 Laser-Array
4.4.4 Doppelspalt
4.4.5 Kohärenzeigenschaften eines Halbleiterlasers
4.4.6 Kohärenzeigenschaften einer Spektrallampe
4.4.7 Gruppenindex
4.4.8 Gruppenindex von Quarzglas
4.4.9 Holografisches Gitter
4.4.10 Stehende Wellen im Laser-Resonator
4.4.11 Farbreflexe einer Seifenlamelle
4.4.12 Fizeau-Streifen
4.4.13 Reflexvermindernde Einfachschicht
4.4.14 Reflexvermindernde Einfachschicht für Unterwasserkamera
4.4.15 Dielektrischer Spiegel
4.4.16 Michelson-Interferometer
4.4.17 Wärmeausdehnung mit Michelson-Interferometer
4.4.18 Fabry-Perot-Interferometer
4.4.19 Fabry-Perot-Interferometer - Auflösungsvermögen
4.5 Beugung
4.5.1 Huygens'sches Prinzip
4.5.2 Spaltbeugung
4.5.3 Beugung am Rechteckspalt
4.5.4 Intensitätsverhältnisse bei der Spaltbeugung
4.5.5 Linsenfokus
4.5.6 Auflösungsvermögen des Auges und Pixelbilder
4.5.7 Airy-Scheibchen
4.5.8 Doppelspalt
4.5.9 Auflösung eines Gitters
4.5.10 Spektrometer mit Reflexionsgitter
4.5.11 Lineare Dispersion
4.6 Gauß'sche Strahlen
4.6.1 Strahlradius
4.6.2 Lunar Laser Ranging
4.6.3 Gaußstrahl
4.6.4 Laserfokussierung
4.6.5 Laser mit geringer Divergenz
4.7 Holografie
4.7.1 Weißlichthologramm
4.7.2 Intensitätsverlauf bei Hologramm-Belichtung
5 Quantenoptik
5.1 Lichtquanten
5.1.1 Äußerer Fotoeffekt
5.1.2 Innerer Fotoeffekt
5.1.3 Lichtdruck
5.1.4 Druck solarer Photonen
5.1.5 Photonenenergien und -impulse
5.1.6 Elektron-Photon-Stoß
5.2 Welle-Teilchen-Dualismus
5.2.1 Antreffwahrscheinlichkeit gebeugter Photonen
5.3 Absorption und Emission von Licht
5.3.1 Photonabsorption
5.3.2 Impuls- und Energieerhaltung bei der Emission
5.3.3 Lebensdauer angeregter Elektronen und spektrale Linienbreite
5.4 Laser
5.4.1 Verstärkung eines Lasers
5.4.2 Reflexionsgrad von Laserspiegeln
5.4.3 Frequenzänderung infolge von Längenänderung
5.4.4 Monomode-Laser
5.4.5 Laser-Pulse
5.4.6 Femtosekundenlaser
6 Optoelektronik
6.1 Halbleiter-Sender
6.1.1 Temperaturdrift der LED-Farbe
6.1.2 Wirkungsgrade einer LED
6.1.3 Plastik-Vergusskörper einer LED
6.1.4 Modulation einer IRED
6.1.5 Temperaturabhängigkeit der Laserschwelle
6.1.6 Abstand longitudinaler Moden
6.1.7 Modensprünge
6.1.8 Modulation eines Halbleiterlasers
6.1.9 Laserschwelle
6.1.10 DFB-Laser
6.2 Halbleiter-Detektoren
6.2.1 Eindringtiefe von Photonen
6.2.2 Quantenausbeute und Empfindlichkeit
6.2.3 Detektivität von pin-Fotodioden
6.2.4 Lawinenfotodiode
6.2.5 Silicium-Fotodiode
7 Führung von Licht in?Lichtwellenleitern
7.1 Einleitung
7.1.1 Eigenschaften von Lichtwellenleitern
7.2 Schichtwellenleiter
7.2.1 Doppelheterostruktur
7.3 Wellen in zylindrischen Fasern
7.3.1 Stufenindex-Faser
7.3.2 Monomode-Faser
7.3.3 Zusammensetzung des Faserkerns
7.4 Dämpfung in Lichtwellenleitern
7.4.1 Dämpfungskoeffizient
7.4.2 Dämpfung in PMMA
7.4.3 Abschneidemethode
7.4.4 Wechsel des Sendelasers
7.4.5 Nachrichtenübertragung auf POF
7.5 Dispersion im Lichtwellenleiter
7.5.1 Bitrate einer Stufenindex-Faser
7.5.2 Bitrate einer Plastikfaser
7.5.3 Kombination von Dispersionsmechanismen
7.5.4 Dispersion einer Multimodefaser

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