Kohärenz (Physik)
Was bedeutet Kohärenz in Physik? Alles, was du über die Kohärenz und kohärente Wellen wissen musst, erklären wir dir hier und in unserem Video !
Inhaltsübersicht
Was bedeutet Kohärenz?
In der Physik beschreibt die Kohärenz die Eigenschaft von Wellen, einem gemeinsamen Verlauf zu folgen.
Zwei Wellenlängen sind dann kohärent, wenn ihre Phasenverschiebung die ganze Zeit konstant bleibt oder wenn sie sich gesetzmäßig, also nach den Gesetzen der Physik, mit der Zeit verändern.
Du sagst deshalb auch, dass die Kohärenz alle Korrelationseigenschaften, also Abhängigkeiten, zwischen zwei Wellenlängen beschreibt. Beispiele für Wellenlängen sind Lichtwellen oder Schallwellen.
Schon gewusst? Der Begriff Kohärenz kommt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie „zusammenhängen“ (lat. cohaerere).
Kohärenz durch gleiche Entstehung der Wellen
Die Kohärenz ist also die Eigenschaft von zwei Wellenzügen, dass ihre Phasenverschiebung an einem Ort entweder konstant bleibt oder sich gesetzmäßig mit der Zeit ändert. Sind zwei Wellen kohärent zueinander, haben sie oft auch dieselbe Entstehungsgeschichte.
Da bei der Erzeugung der Wellen derselbe Mechanismus vorlag, ist es nicht ungewöhnlich, dass dadurch auch ähnliche Schwingungsmuster im Wellenzug entstehen. Diese kannst du beim Vergleich von Teilwellen erkennen.
Kohärenz Schallwellen und Lichtwellen
Schallwellen können für unendlich lange Zeit kohärent gehalten werden. Ihre Wellen bewegen sich also im selben Muster. Bei Lichtwellen sieht das anders aus: Dort sind die Wellenzüge nur kurzzeitig kohärent zueinander. Das liegt daran, dass Licht in der Regel aus Wellen unterschiedlicher Wellenlängen besteht. Die gleichen Phasenbeziehungen sind deshalb nicht mehr gewährleistet. Die Lichtwellen können sich nicht überlagern, also nicht miteinander interferieren.
Interferenz ist die Überlagerung bzw. Addition von Wellen. Sind die Wellenlängen kohärent zueinander, addieren sie sich auf. Bei inkohärenten Wellen ist diese Addition nicht möglich.
Lichtwellen können nur dann miteinander interferieren, wenn der Wellenzug an einem Strahlleiter geteilt und an einer anderen Stelle wieder zusammengeführt wird. Dadurch überlagern sich die Wellen wieder.
Bei periodischen Wellen ist es ganz einfach: Ihre Teilwellen sind kohärent, wenn eine feste Phasenbeziehung zwischen den Wellen besteht. Also immer dann, wenn sich die Wellen im selben Muster bewegen.
Interferenz durch Kohärenz
Eine Kohärenz erkennst du besonders gut, wenn es Interferenzerscheinungen gibt. Also wenn du siehst, dass die Wellen sich überlagern. Diese wellentypischen Erscheinungen können sehr unterschiedlich sein. Meist siehst du Flecken, regelmäßige Figuren, Streifen, Ringe, Kurven oder ähnliches.
Wenn du keine Interferenzerscheinungen siehst, ist es schwerer eine Kohärenz der Wellen nachzuweisen. Du brauchst dann eine kompliziertere mathematische Betrachtung oder einen technisch höheren Aufwand.
Vollständige und partielle Kohärenz
Wenn sich Teilwellen an einem festen Ort mit einer bestimmten Intensität überlagern, können sie einander verstärken oder komplett auslöschen. Das ist die vollständige Kohärenz. Wenn sie einander nur leicht abschwächen oder verstärken, sprichst du von der partiellen Kohärenz.
Inkohärenz
Wenn es keinen Zusammenhang zwischen den Teilwellen gibt, sprichst du von Inkohärenz. Es gibt also keine definierte Phasenbeziehung.
Bei Frequenzen liegt oft Inkohärenz vor, wenn alle Phasendifferenzen gleichzeitig aufeinander treffen und dadurch keine Interferenz mehr möglich ist.
Räumliche und zeitliche Kohärenz
Zusätzlich zu den drei Kohärenzarten unterscheidest du die räumliche und zeitliche Kohärenz. Normalerweise sind jedoch beide Formen gleichzeitig vorhanden.
Die zeitliche Kohärenz gibt es dann, wenn entlang der Zeitachse eine feste Phasendifferenz besteht. Die Kohärenzzeit oder Kohärenzlänge einer Lichtwelle misst du, indem du die Lichtwelle in zwei Teilstrahlen aufteilst und sie später wieder vereinst. Dazu brauchst du zum Beispiel ein bestimmtes Interferometer. Damit kannst du Längenunterschiede sehr genau bestimmen.
Die sichtbaren Interferenzerscheinungen siehst du nur, wenn der Wegunterschied zwischen den Teilwellen kleiner ist als die Kohärenzzeit der Wellenzüge.
Die räumliche Kohärenz gibt es dann, wenn entlang der Raumachse eine feste Phasendifferenz besteht. Auch sie kannst du mit einem Interferometer messen.
Kohärenz in Physik
Die Kohärenz ist in der Physik immer dann relevant, wenn Interferenzen beobachtet werden können. Das ist zum Beispiel in folgenden Bereichen der Fall:
- Laseroptik
- Spektroskopie
- Interferometrie
Dabei ist es egal, ob es sich um Licht- oder Materiewellen handelt.
Auch in der Lasertechnik spielt die Kohärenz bei der Erstellung von Hologrammen, bei der Quantenkryptografie oder bei der Signalverarbeitung eine wichtige Rolle.
Wellenlänge
Bei der Kohärenz geht es um den Verlauf von Wellenlängen. Alles, was du sonst noch zu den Wellenlängen wissen solltest, zeigen wir dir in diesem Video !
