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Tutorial MenueWellenoptikLerneinheit 21 von 23

Kohärenz - wichtige Voraussetzung für die Interferenz von Lichtwellen

Erzeugung kohärenten Lichtes

Wie erhalten wir nun kohärentes Licht für unsere Experimente?

Heute können wir äußerst einfach kohärentes Licht für Interferenzexperimente realisieren, und zwar mit Hilfe von Lasern (LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Funktionsweise eines Lasers:Hierbei werden in einem laseraktiven Material durch Energiezufuhr (so genanntes Pumpen) relativ langlebige metastabile Zustände angeregt. Diese strahlen bei Rückkehr in ihren Grundzustand Wellenzüge einer festen Frequenz ab. Das Besondere am Laser ist nun, dass man zunächst solange pumpt, bis eine Besetzungsinversion vorliegt, d.h. mehr Atome im angeregten metastabilen Zustand als im Grundzustand vorliegen. Ab diesem Zeitpunkt genügt die spontane Emission eines einzigen Wellenzuges, um den Laservorgang zu starten. Dieser erste Wellenzug läuft durch das aktive Medium, trifft auf ein weiteres angeregtes Atom und stimuliert es zur sofortigen Emission eines weiteren Wellenzuges, der sowohl frequenz-, phasen- als auch polarisationsgleich mit dem ersten Wellenzug ist - diesen Vorgang nennt man stimulierte Emission. Bei einer spontanen Emission wäre der dazugekommene Wellenzug im Allgemeinen nur frequenzgleich gewesen. Dieser Vorgang wiederholt sich laufend wieder. Die stimuliert emittierten Wellenzüge werden im richtigen Takt an die eintreffenden angehängt, wodurch eine monochromatische Welle mit sehr großer Kohärenzlänge entsteht. Damit die vorhandenen Wellenzüge immer wieder durch das aktive Material laufen können, befindet sich dieses zwischen einer fokussierenden Spiegelanordnung, dem so genannten Resonator. Einer der beiden Spiegel reflektiert zu fast 100 % das einfallende Laserlicht, der zweite zu etwa 99,5 %, was bedeutet, dass dieser 0,5 % der auftreffenden Intensität passieren lässt. Diese bildet den aus dem Laser austretenden Laserstrahl. Der reflektierte Anteil läuft erneut durch das Medium und löst weitere stimulierte Emissionen aus. Bei diesem Auskopplungsvorgang stellt sich ein Gleichgewicht ein (stetige Energiezufuhr durch zyklisches Pumpen).

Abb.1
Ein Helium-Neon Laser, Strahl mittels Kreidestaub sichtbar gemacht

Laserlicht ist somit aufgrund seiner Entstehung durch stimulierte Emission hochgradig kohärent (fast ideal monochromatisch). Es ist sogar möglich, das Licht zweier verschiedener Laser kohärent zu überlagern.

Aber wie war das zu Youngs Zeiten? Laser gab es damals noch nicht, ebenso wenig Gasentladungs- oder Glühlampen. Also musste man mit den in der Optik lange Zeit gebräuchlichen Lichtquellen wie Sonne oder Petroleumlampen auskommen, die aber, wie wir mittlerweile wissen, fast vollkommen inkohärente Lichtquellen sind. Kein Wunder also, dass wir bei unserem Einstiegsversuch mit den beiden Kerzenflammen keinerlei Interferenz beobachten konnten, da zwei voneinander unabhängige konventionelle Lichtquellen ja nun schon gleich gar nicht kohärent sind, wenn dies schon das Licht einer einzelnen für sich nicht ist.

Damals musste man an genau diesem Punkt clever sein, um doch irgendwie zwei kohärente Lichtquellen zu realisieren. Die Idee war mehr oder weniger die folgende: Man spaltete das Licht einer Lichtquelle in Teilwellen auf, und zwar so, dass diese zueinander ein möglichst hohes Maß an Kohärenz aufwiesen.

Thomas Young erreichte dies dadurch, dass er vor seinem Doppelspalt einen bisher unerwähnten, sehr engen Einfachspalt setzte, um so nur ein möglichst schmales Lichtbündel seiner (ausgedehnten) Weißlichtquelle als Beleuchtung seines Doppelspalts verwenden zu können. Wie wir wissen, erhöht dieses Einengen des Strahlbündels die räumliche Kohärenz des Lichtes, wobei die Entfernung Beleuchtungsspalt-Einfachspalt genügend groß sein muss, damit die räumliche Kohärenzbedingung erfüllt ist. Die beiden Spalte des Doppelspaltes spalten nun das ankommende Licht auf, und die anschließend von ihnen ausgehenden Wellenzüge sind durch diese Anordnung des Einfachspaltes vor dem Doppelspalt ausreichend kohärent, um auf dem Sichtschirm interferieren zu können.

Hinweis
Da, wie bereits angedeutet, die Verwendung von Weißlicht den Kontrast der Interferenz auf dem Schirm verringert, haben wir bei den Versuchen stets einen (quasimonochromatischen) Laser benutzt.

Um diese Aufspaltung in kohärente Teilwellen zu erreichen, wurden viele verschiedene Spiegelanordnungen und andere Aufbauten eingesetzt. Exemplarisch soll dafür die Lloyd'sche Spiegelanordnung (s. folgende Abbildung) vorgestellt werden.

Abb.2
Lloyd'sche Spiegelanordnung

Bei dieser lässt man eine räumlich kohärente Lichtquelle (einen genügend engen Spalt) mit seinem virtuellen Spiegelbild interferieren. Dadurch ist die Kohärenz der betrachteten Teilwellen näherungsweise gesichert (das Licht des virtuellen Spaltes ist ja fast genau das des Spaltes selbst), solange die Gangunterschiede zwischen beiden Teilwellen nicht größer als deren Kohärenzlänge werden. In diesem Fall würden sich nämlich die Wellenzüge zeitlich in einem Auftreffpunkt des Schirms verpassen, könnten also nicht mehr interferieren.

Zentrales Interferenzminimum beim Lloyd-Spiegel
Das Besondere bei dieser Anordnung ist, dass hier kein zentrales Interferenzmaximum, sondern vielmehr ein zentrales Interferenzminimum auftrittt. Dies rührt daher, dass der reflektierte Wellenzug bei der Reflexion an einem optisch dichteren Medium, nämlich dem Spiegel, einen Phasensprung von π erfährt, der zusätzlich zur Phasendifferenz, die durch den Gangunterschied der beiden Teilstrahlen bedingt ist, zu addieren ist. Daher überlagern sich die Wellenzüge im Zentrum destruktiv. Interferenzmaxima und Interferenzminima tauschen in dieser Anordnung gerade ihre Rollen.
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