Kohärenz

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?

Kohärenz Definition

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.

Kohärenz einfach erklärt

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.

Kohärenz Bedeutung

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.

Überlagern sich zwei Wellen mit gleicher Wellenlänge und gleicher Frequenz, so interferieren sie miteinander. Die konstruktive Interferenz sorgt für eine Verstärkung der Welle.

Abb. 3 - Kohärente und phasenverschobene Wellen treffen aufeinander

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.

Alle anderen Wellen gelten als nicht kohärent.

Kohärenz Physik

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.

Kohärenz Optik

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.

Dieser Effekt lässt sich auch für Lichtwellen und dazugehörige Interferenzen feststellen.

Kohärenz Licht

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.

Laser, können im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen aber kohärentes Licht aussenden.

Kohärenz Laser

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.