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Es gibt unterschiedlichste Arten von Wellen, wie Lichtwellen, Wasserwellen, Schallwellen und viele weitere Wellenarten. Jede Welle weist unterschiedliche Eigenschaften auf. Dennoch gibt es Fälle, in denen sich verschiedene Wellen zusammenhängend verhalten. Diese Eigenschaft wird Kohärenz genannt. Aber was ist die Kohärenz einfach erklärt, wie lautet die Definition und welche Bedeutung hat sie in der Optik? Und wie kann das Licht vom Laser kohärent sein?
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Feedback sendenDie Definition der „Kohärenz“ leitet sich vom lateinischen Wort „cohaerere“ ab und bedeutet „zusammenhängend“. Kohärente Wellen in der Physik sind zusammenhängende Wellen, die gleiche Eigenschaften aufweisen und deren Phasenverschiebung konstant ist.
Wellen können nur miteinander interferieren, wenn die Kohärenz der Wellen vorausgesetzt ist. Abhängig von der Kohärenz kommt es zu unterschiedlichen Überlagerungen der Wellen und damit zu leichter oder starker Abschwächung oder Verstärkung der Welle durch Interferenz.
Als Kohärenz wird in der Physik das Verhalten der Phasenverschiebung zweier oder mehrerer Wellen bezeichnet.Ist die Phasenverschiebung entweder zeitlich oder räumlich konstant, so wird von kohärenten Wellen gesprochen.
Zudem ist die Kohärenz als die Gesamtheit aller Korrelationseigenschaften zwischen Wellengrößen definiert. Das bedeutet, dass alle signifikanten physikalischen Größen der beiden Wellen übereinstimmen.
Ganz allgemein kann daher gesagt werden, dass die Kohärenz einen definierten Phasenzusammenhang zwischen Zuständen verschiedener Wellen bezeichnet.
Die beiden abgebildeten Wellen in Abbildung 1 sind kohärent zueinander. Sie besitzen die gleiche Frequenz und Amplitude. Außerdem ist die Phasenverschiebung \(\phi\) an jedem Punkt gleich groß, also konstant. Daher sind die beiden Wellen vollständig kohärent zueinander.
Das Vorhandensein von Kohärenz deutet oftmals auf eine gemeinsame Entstehungsgeschichte der Wellen hin. Wenn also bei der Wellenerzeugung derselbe ursächliche Mechanismus zugrunde lag, können gleichbleibende Schwingungsmuster im Wellenzug entstehen.
Wellen können vollständig und partiell kohärent sein, sind sie inkohärent, dann sind die Wellen nicht zusammenhängend.
Die Bedeutung der Kohärenz ist abhängig davon, welche Art der Kohärenz vorliegt. Es wird unterschieden zwischen vollständiger Kohärenz, partieller Kohärenz und der Inkohärenz. Von welcher Art gesprochen wird, hängt dabei einzig vom Grad der Kohärenz ab.
Zwei Wellen sind vollständig kohärente Wellen, wenn sie an einem bestimmten Ort überlagern.
Vollständig kohärente Wellen interferieren konstruktiv oder destruktiv miteinander. Dadurch kommt es zur Verstärkung oder zur Auslöschung der Welle.
Überlagern sich zwei Wellen mit gleicher Wellenlänge und gleicher Frequenz, so interferieren sie miteinander. Die konstruktive Interferenz sorgt für eine Verstärkung der Welle.
Treffen zwei gleiche Wellen mit einer Phasenverschiebung aufeinander, sodass Wellental auf Wellenberg trifft, so löschen sich die Wellen gegenseitig aus. Auch diese Wellen sind vollständig kohärent.
Neben der vollständigen Kohärenz gibt es auch die partielle Kohärenz.
Partiell kohärente Wellen besitzen ebenfalls die gleiche Wellenlänge. Sie besitzen ebenfalls eine konstante Phasenverschiebung, aber die Maxima treffen nicht so aufeinander, dass die Wellen sich verstärken oder auslöschen können. Es findet so keine konstruktive Interferenz statt.
Alle anderen Wellen gelten als nicht kohärent.
Inkohärent sind Wellen, wenn sie weder eine konstante Phasenverschiebung besitzen noch die gleiche Wellenlänge und Frequenz besitzen, also nicht miteinander zusammenhängen.
Die Kohärenz ist die Voraussetzung für das gezielte interferieren mehrerer Wellen. Dieses Verhalten gilt sowohl für Materiewellen als auch für elektromagnetische Wellen, also Lichtwellen. Das Licht von einem Laser ist dabei besonders kohärent.
Die Kohärenz ist die Grundlage für viele verschiedene Experimente in der Optik und Wellenbeobachtung.
In der Optik werden Experimente durchgeführt, wie die Beugung am Einzelspalt oder die Interferenz am Doppelspalt. Zu beobachten sind dabei Interferenzmuster, die auf die Kohärenz der Wellen zurückzuführen ist.
Schau Dir dazu einmal das Beispiel der Elektronenkanone, die Elektronen auf einen Doppelspalt schießt, genauer an.
Die Elektronen werden auf den Doppelspalt geschossen. Hinter dem Doppelspalt ist ein Schirm aufgebaut, welcher die Punkte darstellt, an welchen die Elektronen auftreffen.
Abb. 4 - Interferenz am Doppelspalt
Am Beobachtungsschirm ist ein Interferenzmuster zu erkennen. Das deutet darauf hin, dass zwischen dem Doppelspalt und dem Schirm, die Elektronen miteinander interferiert haben. Das liegt daran, dass hinter dem Doppelspalt zwei neue Kugelwellen entstanden sind. Diese Wellen interferieren auf dem Weg zum Schirm miteinander.
Die Elektronenwellen müssen dementsprechend kohärent zueinander sein, sodass es zur konstruktiven und destruktiven Interferenz der Wellen kommen kann.
Du möchtest wissen, warum die Elektronen hier als Wellen angesehen werden und wie genau die Interferenz am Doppelspalt aussieht? Dann schau Dir unsere Erklärung zu genau diesem Thema an.
Dieser Effekt lässt sich auch für Lichtwellen und dazugehörige Interferenzen feststellen.
Die Kohärenz von Licht ist auf die gleiche Wellenlänge von den Lichtwellen zurückzuführen. Da die Wellenlänge auch die Farbe des Lichtes bestimmt, bedeutet das, dass kohärentes Licht immer einfarbig ist.
Es ist allerdings nicht möglich, kohärentes Licht aus einer einzigen Lichtquelle zu erzeugen. Nur mit der Hilfe von Gittern, Prismen oder anderen kristallinen Strukturen lässt sich das Licht so teilen und überlagern, dass kohärentes Licht entsteht.
Wenn Du also eine Lichtquelle auf ein Gitter richtest, teilt sich das Licht an den Spalten des Gitters auf. An den Spalten entsteht, entsprechend dem Huygensschen Prinzip, jeweils eine neue Wellenfront. Von dort aus breiten sich die Wellen erneut aus. Überall dort, wo zwei Wellenberge oder zwei Wellentäler aufeinandertreffen, überlagern sich die Wellen. Es kommt zu einer Verstärkung und Auslöschung an diesen Stellen.
Dieser Effekt wird auch konstruktive und destruktive Interferenz genannt. Dadurch entsteht hinter dem Gitter ein kohärentes Licht, denn nur das Licht mit einer bestimmten Wellenlänge wird nicht ausgelöscht.
Da die Wellenlänge und die Frequenz bei Lichtwellen so zusammenhängen, dass Wellenlängen und Frequenzen immer zusammengehören, werden Lichtwellen einer bestimmten Farbe auch als zeitlich kohärentes Licht beschrieben. Die Frequenz sorgt für eine gleichmäßige Phasenverschiebung und daher bestimmend für die Kohärenz.
Laser, können im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen aber kohärentes Licht aussenden.
Das Licht des Lasers ist kohärent. Die Kohärenz des Laserlichtes kommt dadurch zustande, wie das Licht im Lasergerät erzeugt wird.
In einem Laser werden Elektronen durch Photonen angeregt. Dadurch entsendet dieses Elektron ein weiteres Photon. Dabei ist die Wellenlänge des Photons gleich der Wellenlänge des anregenden Photons. Um möglichst viele Photonen zu emittieren, wird das Licht im Laser zwischen zwei Spiegeln reflektiert, um weitere Elektronen anzuregen.
Da alle Photonen dadurch dieselbe Wellenlänge und Frequenz besitzen, sind die Voraussetzungen erfüllt, sodass die Wellen kohärent zueinander sind. Das Licht des Lasers ist also kohärent und einfarbig.
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Was versteht man unter Kohärenz?
Kohärenz bedeutet, dass zwei Wellen die gleichen Eigenschaften und eine konstante Phasenverschiebung aufweisen, also zusammenhängend sind.
Was sind kohärente Wellen?
Kohärente Wellen sind zusammenhängende Wellen, die die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die Wellenlänge aufweisen, und die Fähigkeit besitzen miteinander zu interferieren.
Wann sind Lichtwellen kohärent?
Lichtwellen sind kohärent, wenn sie die gleiche Wellenlänge besitzen. Dadurch besitzen sie dann auch die gleiche Farbe.
Was ist zeitliche Kohärenz?
Die zeitliche Interferenz beschreibt den Zusammenhang der Frequenzen von Wellen, während die räumliche Kohärenz die Wellenlängen beschreibt.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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