P 19: Ohne Kohärenz keine Interferenz, Aktualisierung 24.11.20aus

 2.2 Ohne Kohärenz keine Interferenz 

   

Wir sind immer von Licht umgeben, bemerken aber keine Interferenzerscheinungen.

Wenn wir zwei Lampen in einem Zimmer anmachen, dann löschen sich die Lichteffekte nicht gegenseitig aus.

Bei zwei Lautsprechern kann das für Schall durchaus passieren: Schließt die linke und rechte Box einer Stereoanlage mit jeweils gegenteiliger Polung an (also eine Box falsch) und ihr werdet den Unterschied zum richtigen Anschluss hören: Bässe, Raumklang alles ist weg...

Und ganze Konzerthäuser mussten umgebaut werden, weil in Reihe 13 die Geigen nicht zu hören waren.... 

Bei Schall sind Interferenzeffekte durchaus leicht hörbar, wenn auch wenig auffällig.

Aber bei Licht brauchen wir noch nicht mal zwei Lampen...Nehmen wir eine altmodische  Glühlampe und dessen Glühfaden. Jedes der Atome im Glühfaden sendet ständig, aber immer mit extrem kurzen Unterbrechungen, kurze Wellenzüge aus. Sie strahlen nur für einige Nanosekunden ...

In der Umgebung der Lampe wimmelt es von Lichtwellen aller möglichen Wellenlängen (im Sinn: Abstand zweier benachbarter Wellenberge) und aller möglichen Längen L von Wellenzügen (da ein Atom nur kurze zeit Licht aussendet, bricht die Welle nach der Strecke L einfach ab).

Aus diesem Mischmasch kann sich kein stabiles Interferenzbild bilden. Dieses Licht nennt man nicht interferenzfähig oder inkohärent.

Licht, das interferenzfähig ist (und damit meint man, dass stabile Interferenzmuster entstehen, denn überlagern kann man alles immer), nennt man kohärent.

In der Regel ist das Licht, was uns im Alltag oder der Natur begegnet, inkohärent. 

Vor etwa 60 Jahren ist der Laser erfunden worden.

Ein Laser gibt lange (über hunderte von Metern) zusammenhängende Wellenzüge ab, also kohärentes Licht. Was da im Inneren passiert, werden wir lernen.

Deshalb kann man mit Laserstrahlen so leicht Interferenzerscheinungen erzeugen (denkt an das Überlagern der beiden Strahlen beim Michelson-Morley-Interferometer).


 

Die Funktionsweise eines Lasers müsst ihr im Abitur kennen, wir werden uns damit noch ausführlich beschäftigen, dann versteht ihr auch, wieso Laser kohärentes (also interferentzfähiges) Licht abgeben.

Aber schon lange vor der Erfindung des Lasers hat man mit Licht Interferenzerscheinungen untersucht.

Das macht man mit folgenden Tricks (am besten alle auf einmal...):

- - Man experimentiert nur mit Licht einer einzigen Wellenlänge, also notfalls einen guten Filter vor die Lampe halten...(Laserlicht hat immer eine Wellenlänge)

-- Damit man halbwegs zusammenhängende Wellenzüge erhält, blendet man fast alles Licht einer Lichtquelle aus, lässt nur Licht durch einen schmalen Spalt fallen und experimentiert damit. Das werden wir bald genauer sagen können: Man nimmt nur Licht aus dem 0.Beugungsmaximum eines Spaltes.


Also: Die Physiker/innen, die früher Interferenzversuche mit Licht machen wollten, mussten zwei Bauteile in ihren Apparaturen verwenden:

- einen Filter, der nur Licht einer Wellenlänge durchlässt

- einen Beleuchtungsspalt, dessen 0. Maximum halbwegs aus kohärentem Licht besteht

aus Physics of Oscillations, Vistnes, 2018, Springer

es gibt aber noch fantasievollere Tricks:

- -Man spaltet das Licht eienr Lichtquelle (möglichst mit den oben genannten Tricks vorbehandelt) auf und bringt dann die beiden Teile wieder zusammen.

Da gibt es viele Methoden, von denen einige sicher mal im Abi dran kommen...wir werden sie kennenlernen...

Zum Beispiel die von Fresnel...er nimmt zwei leicht gegeneinander geneigte Spiegel, die er von einer Lichtquelle beleuchtet. Durch die geringe Neigung der Spiegel fallen die reflektierten Lichtbündel aufeinander und interferieren...wie bei einem Doppelspalt.

Man kann sich das auch so vorstellen: In jedem Spiegel ist immer das gleiche Bild der Lichtquelle zu sehen..also zwei Kopien (Klone) einer Lampe...logisch, dass da kohärentes Licht zusammen kommt.

Wie bei Zwillingen, die werden auch immer zur gleichen Zeit krank...

Physikalisches Institut der Universität Freiburg

Eine weitere Methode kennt ihr schon!!!


Was haben denn Michelson-und Morley gemacht???

Habt ihr eine Idee, wie man mit dem MMI die Länge der Wellenzüge (nicht ganz korrekt auch als Kohärenzlänge bezeichnet) bestimmen kann? Warum mussten wir uns darum nicht kümmern?

Michelson und Morley hätten nur darauf achten müssen, wenn sie viele Streifenverschiebungen erwartet hätten...Wieso? Was hätte dann passieren können?

Ergänzung:

Auf diesem Bild erkennt  an sowohl zeitliche als auch räumliche Kohärenz:

aus: Vistnes, Physics of Oscillations and Waves


rot markiert: 
In Ausbreitungsrichtung gleichmäßig aufeinanderfolgende Wellen, das nennt man zeitliche Kohärenz.
gelb markiert:
nebeneinanderliegende gleiche Phasen...das nennt man räumliche Kohärenz
 
Räumliche Kohärenz ist erforderlich, damit zwei Spalte ein Interferenzbild erzeugen, zeitliche Kohärenz, damit wir das auch lang genug sehen, bzw. auch noch Maxima hoher Ordnung erkennen...
 
Die räumliche Kohärenz von Sonnenlicht beträgt 60 Mikrometer...deswegen geht kein Doppelspaltexperiment mit Sonnenlicht...schickt man es aber durch eine kleine Öffnung, so wächst die räumliche Kohärenz auf einige cm und das Doppelspaltexperiment geht.



Kommentare