Kohärenz

In diesem Artikel erklären wir dir, was man unter der Kohärenz versteht, wann Interferenzerscheinung auftreten können und welche Unterscheidungen es gibt.

Die Kohärenz ist ein Teilgebiet der Wellen und gehört zum Fach Physik.

Wusstest du schon?

Die Kohärenz findet nicht nur in der Physik Anwendung, sondern unter anderem auch in der Psychologie bzw. Pädagogik.

Was versteht man unter Kohärenz?

In der Physik beschreibt die Kohärenz die Eigenschaft von Wellen im dynamischen Verlauf einer gemeinsamen festen Regel zu folgen. Der Begriff leitet sich vom lateinischen Wort „cohaerere“ ab und bedeutet „zusammenhängen“.

Ganz allgemein kann man sagen, dass die Kohärenz einen definierten Phasenzusammenhang zwischen Zuständen verschiedener Energie oder zwischen mehreren Quasiteilchen bezeichnet.

Die Kohärenz ist die Eigenschaft zweier Wellenzüge, die dann vorliegt, wenn ihre Phasenverschiebung an einem Ort entweder für alle Zeiten konstant bleibt oder wenn sie sich gesetzmäßig mit der Zeit ändert. Zudem ist die Kohärenz als die Gesamtheit aller Korrelationseigenschaften zwischen Wellengrößen definiert.

Sämtliche physikalische Wellen wie Lichtwellen, Radarwellen, Schallwellen oder Wasserwellen können auf eine bestimmte Weise kohärent zu anderen Wellen sein. Außerdem ist es möglich, dass nur Kohärenz zwischen entsprechenden Teilwellen besteht.

Das Vorhandensein von Kohärenz deutet oftmals auf eine gemeinsame Entstehungsgeschichte der Wellen hin. Wenn also bei der Wellenerzeugung derselbe ursächliche Mechanismus zu Grunde lag, können gleichbleibende Schwingungsmuster im Wellenzug entstehen. Bei einem späteren Vergleich von Teilwellen können diese Schwingungsmuster sichtbar gemacht werden.

Während es zum Beispiel möglich ist, Schallwellen auf praktisch unbegrenzte Zeit in sich kohärent zu halten, werden bei der Emission von Licht nur mehr oder weniger lange, in sich kohärente Wellenzüge ausgestrahlt. Zwei verschiedene Wellenzüge sind inkohärent und können deshalb nicht miteinander interferieren. Interferenz kommt somit bei Licht nur zustande, wenn ein Wellenzug zum Beispiel an einem Strahlteiler geteilt und an anderer Stelle wieder zusammengeführt wird.

Periodische Wellen sind einfache Fälle. Bei ihnen sind zwei Teilwellen kohärent, wenn eine feste Phasenbeziehung zueinander besteht. Diese Phasenbeziehung bedeutet in der Optik häufig eine gleich bleibende Differenz zwischen den Phasen der Schwingungsperiode.

• Kohärenz bezeichnet einen definierten Phasenzusammenhang zwischen Zuständen verschiedener Energie oder zwischen mehreren Quasiteilchen.
• Kohärenz ist die Eigenschaft zweier Wellenzüge, die dann vorliegt, wenn ihre Phasenverschiebung an einem Ort entweder für alle Zeiten konstant bleibt oder wenn sie sich gesetzmäßig mit der Zeit ändert.
• Das Vorhandensein von Kohärenz deutet oftmals auf eine gemeinsame Entstehungsgeschichte der Wellen hin.
• Es ist möglich, dass Kohärenz nur bei Teilwellen besteht.
• Bei periodischen Wellen sind zwei Teilwellen kohärent, wenn eine feste Phasenbeziehung zueinander besteht.

Interferenzerscheinungen durch Kohärenz

Eine besonders deutliche Form der Kohärenz liegt vor, wenn bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenzerscheinungen sichtbar werden.

Interferenzerscheinungen sind durch die Interferenz des Lichtes entstehende Erscheinungen, die sehr unterschiedlich auftreten können. Je nach Art, Form, Anzahl und gegenseitiger Lage der beteiligten optischen Medien handelt es sich um Flecken, regelmäßige Figuren, Streifen, Ringe, Kurven oder Sonstiges. Genauer erklärt werden die Interferenzerscheinungen in dem Artikel zur Interferenz.

Das Auftreten von stationären, räumlich und zeitlich unveränderlichen Interferenzerscheinungen bei der Überlagerung der Wellen zeigt, dass die Wellenamplituden zweier Wellen direkt miteinander korrelieren. Sind keine Interferenzerscheinungen sichtbar, so ist ein technisch höherer Aufwand oder eine kompliziertere mathematische Betrachtung des Wellenverlaufs nötig, um eine Kohärenz in den Wellen nachzuweisen.

• Werden bei der Überlagerung von Wellen Interferenzerscheinungen sichtbar, so liegt eine sehr deutliche Art von Kohärenz vor.
• Interferenzerscheinungen zeigen, dass die Wellenamplituden zweier Wellen direkt miteinander korrelieren.
• Interferenzerscheinungen sind wellentypische Erscheinungen, die in verschiedenster Form auftreten können.

Welche Arten der Kohärenz gibt es?

Der Begriff der Kohärenz lässt sich nochmals in verschiedene Sparten unterteilen und spezifizieren. Diese werden nun im Folgenden beschrieben.

Was versteht man unter der vollständigen und der partiellen Kohärenz?

Es gibt die vollständige Kohärenz, die partielle Kohärenz und die Inkohärenz. Teilwellen, die sich an einem festen Ort zu einer bestimmten zeitlich gemittelten Intensität überlagern können sich abhängig von der Phasenbeziehung verstärken beziehungsweise auslöschen. Wenn das passiert, liegt eine vollständige Kohärenz vor. Bei einer partiellen Kohärenz schwächen sie nur wenig ab oder verstärken sich nur leicht.

Die Inkohärenz

Wenn sich die Teilwellen zu einer mittleren Intensität ausgleichen, nennt man das Inkohärenz. Das Phänomen bedeutet also die Abwesenheit einer definierten Phasenbeziehung. Insbesondere liegt Inkohärenz bei unterschiedlichen Frequenzen vor, wenn alle Phasendifferenzen gleich häufig vorkommen und dadurch keine konstruktive oder destruktive Interferenz möglich ist.

Die räumliche und die zeitliche Kohärenz

Was sich innerhalb der Kohärenz außerdem unterscheiden lässt, ist die räumliche und die zeitliche Kohärenz. Normalerweise müssen jedoch beide Formen der Kohärenz vorhanden sein. Zeitliche Kohärenz liegt vor, wenn entlang der Zeitachse eine feste Phasendifferenz besteht. Die Kohärenzzeit beziehungsweise die Kohärenzlänge einer Lichtwelle lässt sich messen, indem man diese zwei Teilstrahlen aufteilt und sie später wieder vereint. Mit bestimmten Interferometern ist dies möglich.

Interferometer sind Geräte, mit denen man Längenunterschiede sehr genau bestimmen kann. Man benutzt dabei die Wellenlänge des Lichts als Maßeinheit, indem man den Gangunterschied auf zwei zu vergleichenden Wegen bestimmt.

Man sieht Interferenzerscheinungen in einer bestimmten Anordnung also nur dann, wenn der Laufzeitunterschied beziehungsweise der Wegunterschied zwischen den Teilwellen kleiner bleibt als die Kohärenzzeit oder die Kohärenzlänge der von den Atomen ausgesandten Wellenzüge.

Räumliche Kohärenz hingegen liegt dann vor, wenn entlang einer Raumachse eine feste Phasendifferenz besteht. Ähnlich wie bei der zeitlichen Kohärenz kann die räumliche Kohärenz durch Messung eines Interferometers, das empfindlich auf die räumliche Kohärenz ist. Hierbei wird der Kontrastes eines Interferenzmusters angeschaut.

Auch Wellen mit unterschiedlicher Frequenz können zueinander Kohärenz aufweisen. Technisch spielt diese Art von Kohärenz bei der Radartechnik oder beim Frequenzkamm eine Rolle.

• Die vollständige Kohärenz liegt vor, wenn sich Teilwellen, die sich an einem festen Ort zu einer bestimmten zeitlich gemittelten Intensität überlagern, abhängig von der Phasenbeziehung verstärken beziehungsweise auslöschen.
• Bei der partielle Kohärenz passiert dasselbe wie bei der vollständigen Kohärenz in abgeschwächter Form.
• Inkohärenz ist die Abwesenheit einer definierten Phasenbeziehung.
• Zeitliche Kohärenz liegt vor, wenn entlang der Zeitachse eine feste Phasendifferenz besteht.
• Räumliche Kohärenz hingegen liegt vor, wenn entlang einer Raumachse eine feste Phasendifferenz besteht.

In welchen Bereichen der Physik spielt die Kohärenz eine Rolle?

Kohärenz spielt eine Rolle in allen Bereichen der Physik, in denen Interferenzen beobachtet werden können. Insbesondere in der Laseroptik, der Spektroskopie und der Interferometrie ist die Kohärenz ein wichtiger Bestandteil. Es spielt dabei für die Bedeutung der Kohärenz keine Rolle, ob es sich um Lichtwellen oder um Materiewellen handelt.

Vor Allem in der Lasertechnik ist es möglich von einzelnen Photonen zahlreiche Kopien mit zusammenhängender Entstehungsgeschichte zu erzeugen. Aus diesem Grund hat die Kohärenz auch eine große Bedeutung in den Anwendungsbereichen der Lasertechnik. Zum Beispiel ist die Kohärenz wichtig bei der Erstellung von Hologrammen, bei der Quantenkryptographie oder der Signalverarbeitung.

• Kohärenz spielt eine Rolle in allen Bereichen der Physik, in denen Interferenzen beobachtet werden.
• Besonders für die Laseroptik, die Spektroskopie und die Interferometrie ist die Kohärenz wichtig.
• Anwendungsbereiche der Lasertechnik, wie unter Anderem die Erstellung von Hologrammen ziehen einen Nutzen aus der Kohärenz.

Alles Wichtige zur Kohärenz auf einen Blick

• In der Physik beschreibt die Kohärenz die Eigenschaft von Wellen im dynamischen Verlauf einer gemeinsamen festen Regel zu folgen.
• Die Kohärenz wird als die Gesamtheit aller Korrelationseigenschaften zwischen Wellengrößen definiert.
• Sämtliche physikalische Wellen können auf eine bestimmte Weise kohärent zu anderen Wellen sein. Außerdem kann Kohärenz zwischen bestimmten Teilwellen bestehen.
• Das Vorhandensein von Kohärenz deutet oftmals auf eine gemeinsame Entstehungsgeschichte der Wellen hin.
• Eine besonders deutliche Form der Kohärenz liegt vor, wenn bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenzerscheinungen sichtbar werden.
• Es gibt die vollständige Kohärenz, die partielle Kohärenz und die Inkohärenz.
• Außerdem unterscheidet man räumliche und zeitliche Kohärenz, wobei normalerweise beide Formen gleichzeitig vorliegen.
• Kohärenz spielt eine Rolle in allen Bereichen der Physik, in denen Interferenzen beobachtet werden können, sowie zum Beispiel bei der Laseroptik, der Spektroskopie und der Interferometrie.