Die Kohärenz von Licht
(Kursstufe > Die Welleneigenschaften des Lichts)
Wieso ist der Nachweis von Interferenz von Lichtwellen mit Licht von Glühlampen nur mit relativ komplizierten Versuchsaufbauten zu realisieren und mit Laserlicht ganz einfach? Das Licht eines Lasers scheint andere Eigenschaften zu haben als das einer Glühlampe.
Verwendet man zum Betrieb des Michelson-Interferometers das Licht einer Glühlampe, so stellt man fest, das der Gangunterschied zwischen den beiden Teilstrahlen nicht zu groß sein darf. Ab einem Gangunterschied von ca. einem tausendstel Millimeter verschwindet das Interferenzmuster.
Das Licht eines Lasers zeichnet sich dadurch aus, dass es
- nur eine Wellenlänge (Farbe) hat ("zeitliche Kohärenz"),
- alle Wellenfronten die gleiche Ausbreitungsrichtung haben ("räumliche Kohärenz") und
- aus einem sehr langen Wellenzug besteht.
Das Licht von Glühlampen dagegen ist nirgens kohärent, denn es
- ist ein Gemisch von vielen Wellenlängen,
- wird in allen mögliche Richtungen ausgesendet und
- besteht aus vielen kurzen Wellenzügen.
zeitlich und räumlich kohärent
zeitlich kohärent, aber räumlich nicht
räumlich kohärent, aber zeitlich nicht
weder zeitlich noch räumlich kohärent
Das hängt mit der unterschiedlichen Erzeugung des Lichtes zusammen.
- Glühlampe
Die Glühwendel der Lampe wird elektrisch geheizt. Durch die hohe Temperatur "Wackeln" die Atome des Metallfadens sehr stark. Dabei werden die Elektronenhüllen auf höhere Energieniveaus angehoben. Nach einer gewissen Zeit geht die Elektronenhülle wieder in die energieärmere Position zurück. Dabei schwingt die Hülle und strahlt eine elektromagnetische Welle ab, welche die Anregungsenergie abtransportiert. Das nennt man "spontane Emission".
Je nach Stärke der Anregung und Art des spontanen Rück-Übergangs schwingt die Elektronenhülle unterschiedlich, wodurch em-Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgesendet werden.
Weil die Emission spontan, also zufällig, ist, sind die Wellen der vielen verschiedenen Atome nicht koordiniert.
Weil die Emission nur eine kurze Zeitdauer benötigt, werden kurze Wellenzüge von ca. [math]1000\,\rm nm-10.000\,\rm nm[/math][1] ausgesendet, die keine konstante Frequenz, sondern ein kleines Frequenzspektrum haben.
Dadurch wird ein "Gemisch" von unterschiedlichen Wellenzügen verschiedener Frequenz erzeugt.
Interferenzversuche mit Glühlampenlicht sind deshalb immer nur mit einzelnen Wellenzügen eines Atoms möglich. Jeder Wellenzug erzeugt ein intensitätsschwaches Muster. Die räumliche Kohärenz erreicht man durch geeignete Blenden.
- Laser
LASER ist die Abkürzung für: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Bei einem Laser ist die Emmission der em-Welle eines Atoms nicht spontan. Die von außen dauerhaft angeregten Atome emitieren, wenn sie durch eine andere em-Welle dazu angeregt werden. Dadurch "hängen sich die Wellenzüge aneinander". Das dabei ausgesendete Licht ist kohärent.
Links
- VERALTET: Eine Präsentation, welche die Kohärenz von Licht präzise, knapp und anschaulich zusammenfasst. (Michael Pohlig, Physikdidaktik Uni Karlsruhe)
- Kohärenz als lokale Eigenschaft einer Welle, mit vier einfachen, schönen Bildern zur Erklärung. (Friedrich Herrmann: Altlasten der Physik (57))
- Kohärenz, zeitlich und räumlich; Definitionen und Beispiele. (Wiebke Salzmann, Wissenstexte)
- Wikipedia: Zeitliche Kohärenz
- Wikipedia: Kohärenzlänge und Interferenz
Fußnoten
- ↑ Siehe Wikipedia: Kohärenzlänge , Michelson-Interferometer (Matthias Lütgens, 9. April 2005) und Experimentalphysik für Biologen, Skript10, S.5 (Humboldtuni Berlin Wintersemester 2011)
