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Kohärenz 05:36 min

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Transkript Kohärenz

Hallo und herzlich willkommen zu "Physik mit Kalle"!   Wir wollen uns heute aus dem Kapitel "Schwingungen und Wellen" mit der Kohärenz beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr mindestens den Film über Interferenz und Beugung gesehen haben. Wir lernen heute, was Kohärenz ist, wann genau eine Welle kohärent ist und was Kohärenzzeit und Kohärenzlänge sind.   Dann mal los! Wir haben es oft genug gehört, jetzt wollen wir es endlich wissen: Was ist denn nun Kohärenz genau? Wir haben schon oft gehört, nur an einer kohärenten Welle können Interferenzphänomene beobachtet werden. Die beste, aber meiner Meinung nach nicht so einfach zu verstehende Definition ist: Kohärenz bedeutet, dass die Phase der emittierten Welle einer festen, voraussagbaren Beziehung gehorcht. Da wir schon oft gehört haben, dass ein Laser kohärentes Licht aussendet, wollen wir uns im nächsten Kapitel mal den Doppelspaltversuch ansehen und dabei einmal einen Laser und einmal eine Glühlampe einsetzen.   Ihr kennt ja den Versuchsaufbau: Ich richte meinen Laser auf einen Doppelspalt und kann dann auf einem Schirm dahinter ein ungefähr so aussehendes Interferenzmuster beobachten. Wenn ich nun statt dem Laser eine Glühlampe benutze, sehe ich kein deutliches Interferenzmuster, sondern einen verschwommenen Fleck auf dem Schirm. Woher kommt das? Die von einem Laser ausgesendeten Photonen werden durch optisches Pumpen erzeugt und einer ihrer vielen Vorteile ist, dass sie so gut wie phasengleich sind. Das heißt: Jeder Punkt auf meiner Wellenfront schwingt genau in der gleichen Phase. Daher entstehen an den beiden Spalten - nach dem Huygensschen Prinzip - zwei Elementarwellen, die ebenfalls phasengleich sind und so entsteht auf dem Schirm mein schönes Interferenzmuster.   Eine Glühlampe erzeugt weißes Licht. Das heißt: Die Wellenlängen sind über das gesamte Spektrum verteilt. Außerdem entstehen in einer Glühlampe die Photonen durch spontane Emission, meistens aus einem Heizdraht. Dies ist ein unkontrollierter Vorgang. Das heißt: Es treffen nicht nur Photonen aus verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Wellenlängen auf meinen Doppelspalt, sie haben auch unterschiedlichste Phasen. Die von den jeweiligen Elementarwellen erzeugten Interferenzmuster überlagern sich also auf dem Schirm zu einem undeutlichen Fleck und es ist keine Interferenz mehr beobachtbar.   Wir merken uns also: Bei einem Laser schwingen alle Atome in Phase, das emittierte Licht hat also eine feste Phasenbeziehung - und das ist es, was man unter Kohärenz versteht. Führe ich den Versuch mit einer Glühlampe durch, dann wird Licht verschiedener Wellenlängen von mehreren Orten in unterschiedlicher Phase emittiert - und deshalb ist das Licht meiner Glühlampe nicht kohärent. Und daraus folgt: Führe ich den Versuch mit einem Laser durch, kann ich Interferenz beobachten. Verwende ich stattdessen eine Glühlampe, so ist keine Interferenz sichtbar.   Natürlich kommt auch der beste Laser einmal aus dem Takt. Im letzten Kapitel wollen wir uns deshalb mit Kohärenzzeit und Kohärenzlänge beschäftigen. Im Bild seht ihr eine Schwingung, wie sie von einer Quelle ausgesendet werden könnte. Ihr erkennt: Ab und zu kommt unsere Quelle anscheinend aus dem Takt. Wenn ich das Licht aus dieser Quelle nun auf einen Doppelspalt schicke, so wird mir dieser Taktfehler - ab einem bestimmten Gangunterschied - mein Interferenzmuster durcheinander bringen. Und deshalb hat man den Begriff für Kohärenzzeit und Kohärenzlänge eingeführt, die beschreiben, wie lange die Phasenbeziehung einer Welle gilt.   Die Kohärenzzeit Tk ist die Zeit, während der eine Wellenquelle eine ungestörte Sinusschwingung aussendet. Die im Normalfall praktischere Größe ist die Kohärenzlänge, die wir einmal Lk nennen. Stellt euch vor, ich nehme einen Laserstrahl, teile ihn in zwei Teilstrahlen, mache mit den beiden Strahlen verschiedene Sachen und führe sie am Ende wieder zusammen, um mein Interferenzmuster zu betrachten. Die Kohärenzlänge gibt mir dann an, um wieviel der Weg des einen Teilstrahls maximal länger sein darf, als der des anderen Teilstrahls, damit ich noch Interferenz beobachten kann. Ich kann sie einfach berechnen: Die Kohärenzlänge Lk ist die Strecke, die die Welle während der Kohärenzzeit zurücklegt.   Ich bekomme sie mit der Formel: Lk ist die Kohärenzzeit mal die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lk = c × Tk). Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Nur an kohärenten Wellen kann Interferenz beobachtet werden. Laserlicht ist kohärent, da seine Phase einer festen Beziehung folgt. Und am Schluss haben wir erfahren: Ist der Gangunterschied eines zweigeteilten Strahls bei seiner Wiedervereinigung größer als die Kohärenzlänge Lk, so ist keine Interferenz sichtbar. Ich kann die Kohärenzlänge berechnen, indem ich die Kohärenzzeit (Tk) mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) der Welle malnehme.   Das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen! Vielleicht  bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

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