Kohärenz

Unter Kohärenz (von lat. zusammenhängend) versteht man in der Physik eine Eigenschaft von Wellen – kohärente Wellen sind zur Interferenz fähig, da sie eine konstante Phasenbeziehung haben.

In der Physik unterscheidet man oft zwei Arten von Kohärenz:

  • räumliche (transversale) Kohärenz
  • zeitliche (longitudinale, spektrale) Kohärenz

Damit man Interferenzbilder beobachten kann, müssen beide Arten von Kohärenz gegeben sein.

Es gibt Lichtquellen, wie Laser, die von ihrer Bauart räumlich und zeitlich schon eine hohe Kohärenz mitbringen. Seit einigen Jahren gibt es solche Quellen auch für Atome. Sie basieren auf Bose-Einstein Kondensaten und können kohärent Materiewellen emittieren. Für große Moleküle müssen wir uns aber oft mit inkohärenten thermischen Quellen begnügen. Bei solchen Quellen haben z.B. die Wellenfunktionen von zwei Molekülen, die von entfernten Bereichen der Ofenöffnung entweichen keine vordefinierte Phasenbeziehung zueinander.

Räumliche Kohärenz

Jeder Punkt der Quellöffnung kann ein eigenes Interferenzbild erzeugen. Bei inkohärenten Quellen überlappen diese unbeeinflusst – ohne feste Phasenbeziehung – und sie können in Summe ein Bild ohne Kontrast erzeugen. Man kann die räumliche Kohärenz aber dadurch verbessern, indem man die reale oder auch nur die scheinbare Ausdehnung der Quellöffnung verkleinert. Letzteres geschieht, wenn wir die Distanz der Quelle zum beugenden Objekt vergrößern.

Im folgenden Applet siehst du die beiden extremsten Ausbreitungsrichtungen (schwarze Linien) der Wellen von der Quelle links bis zum Detektor rechts. Teste, wie sich die räumliche Kohärenz verbessern lässt:


Quellenöffnung - +
Detektoröffnung - +
Distanz - +

Räumliche Kohärenz

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Zeitliche Kohärenz

Die zeitliche Kohärenz ist davon abhängig, wie ähnlich die Frequenz beziehungsweise die Wellenlänge der Wellen ist. Wenn große Unterschiede bei den Wellenlängen auftreten, werden die Wellen unterschiedlich stark gebeugt und erzeugen daher unterschiedliche Interferenzmuster, die sich überlappen und den Kontrast des Musters reduzieren können. In Vorwärtsrichtung ändern sich die Phasenbeziehungen mit der Zeit, was wiederum kein dauerhaftes Interferenzmuster erlaubt.

coherence

  1. Die Wellen links oben haben weder eine gemeinsame Wellenlänge, noch eine gemeinsame Ausbreitungsrichtung. Sie sind zeitlich und räumlich inkohärent.
  2. Rechts oben haben zwar alle Wellen die gleiche Ausbreitungsrichtung, aber unterschiedliche Wellenlängen. Sie sind zeitlich inkohärent aber räumlich kohärent.
  3. Links unten kann man monochromatische Wellen beobachten. Alle haben die selbe Wellenlänge. Räumlich sind die Wellen jedoch inkohärent, da sie sich in unterschiedliche Richtungen ausbreiten.
  4. Rechts unten sind sowohl Ausbreitungsrichtung als auch Wellenlängen ident, die Wellen sind also räumlich und zeitlich kohärent.

Kohärenz

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