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LICHT

Kohärenz (Physik)

Kohärenz (v. lat.: cohaerere = zusammenhängen) bezeichnet in der Physik eine Eigenschaft von Wellen, die stationäre (ortsfeste) Interferenzerscheinungen ermöglicht. Allgemeiner beschreibt die Kohärenz die Gesamtheit der Korrelations-eigenschaften zwischen Größen eines Wellenfeldes.

Nähere Beschreibung

Zeigerdiagramm mit Phasen und Phasendifferenz (schwarz) zweier Wellenzüge. Oben: kohärente Wellenzüge mit konstanter Phasendifferenz; Unten: inkohärente Wellenzüge ohne feste Phasenbeziehung.

In der Natur auftretende Wellen, wie Lichtwellen, Schallwellen oder Wasserwellen, können mehr oder weniger zufällig aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammengesetzt sein. Damit bei Überlagerungen bestimmter Teilwellen Interferenzphänomene beobachtet werden können, müssen die Zusammensetzungen dieser Wellen Bedingungen erfüllen, die verallgemeinert mit Kohärenz zusammengefasst werden. Zwei Teilwellen sind kohärent, wenn sie zueinander eine feste Phasenbeziehung haben, im anderen Fall inkohärent.

links: räumlich und zeitliche kohärente Welle - die Phase ist sowohl in zeitlicher Richtung als auch in räumlicher Richtung ohne Sprünge und vollkommen vorhersagbar. Mitte: ausschließlich räumliche (transversale) Kohärenz - entlang der Zeitachse springt die Phase der Welle unvorhersagbar. Rechts: ausschließlich zeitliche (longitudinale) Kohärenz - entlang der Raumachse springt die Phase der Welle unvorhersagbar.

Zwei Wellen können zueinander kohärent sein, wie oben dargestellt, und ein zeitlich stabiles Interferenzmuster erzeugen. Alle Teilwellen, die sich an einem festen Ort zu einer bestimmten (zeitlich gemittelten) Intensität überlagern (zum Beispiel auf einem Beobachtungsschirm), können sich entweder vollständig verstärken bzw. auslöschen ( vollständige Kohärenz ), ein wenig verstärken bzw. abschwächen ( partielle Kohärenz ) oder zu einer mittleren Intensität ausgleichen ( Inkohärenz ).

Außerdem kann man die Fälle einer zeitlichen und einer räumlichen Kohärenz unterscheiden, auch wenn in fast allen Experimenten beide Formen der Kohärenz vorhanden sein müssen. Zeitliche Kohärenz liegt vor, wenn entlang der Zeitachse (oft bildlich gleichgesetzt mit der Raumachse parallel zur Ausbreitungsrichtung) eine feste Phasendifferenz (ohne Sprünge) besteht, räumliche Kohärenz liegt vor, wenn entlang einer Raumachse (oft reduziert auf die Raumachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) eine feste Phasendifferenz besteht.

Mathematische Darstellung

Kohärenz und Korrelation

Die Kohärenz von Wellen kann anhand der Korrelationsfunktion quantifiziert werden. Diese Funktion liefert ein Maß für die Ähnlichkeit des zeitlichen Verlaufs zweier in Verbindung gebrachten Wellenamplituden.