Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
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Wellenoptik - Interferenz


Wellenoptik

In der „Wellen­optik” befassen wir uns mit Aspekten, die durch die Licht­strahlen und das Model der Strahlen­optik allein nicht beschrieben werden können. Das ist besonders dann der Fall, wenn man zu kleineren Objekten übergeht.

Mit einer Loch­kamera kann man zwar die gerad­linige Aus­breitung des Lichtes verfolgen. Wie ist es aber, wenn das Loch einer solchen Kamera um einiges kleiner ausfällt?

Wenn man zum Beispiel einen Laser­strahl durch ein kleines Loch mit gerade einmal 1 mm Durch­messer schickt, zeichnet sich auf dem Schirm eine Abbildung mit einer Ring­struktur ab. Mit der klassischen Strahlen­optik allein, lässt sich dieses Phänomen in Form eines Beugungs­bildes nicht inter­pretieren.

Die Ringe lassen sich nur durch einen Wellen­aspekt des Lichtes erklären, sodass es zu Inter­ferenz- und Beugungs­erschei­nungen kommt. In diesem Kapitel werden wir primär die „Inter­ferenz­erschei­nungen” betrachten.

Für derartige Betrach­tungen verwendet man aller­dings nicht Löcher sondern sehr häufig Spalte.




Interferenz

In einer solchen Versuchs­anordnung schickt man den Laser­strahl durch einen sehr schmalen Einfach­spalt. Und auch hier sieht man in der Mitte nicht nur eine helle Licht­erscheinung, sondern seit­lich verlau­fend in beiden Richtungen „Inter­ferenz­erschei­nungen”. Grund dafür ist offen­sichtlich eine wellen­förmige Ausbreitung des Lichtes.

Jetzt stellt sich natür­lich die Frage, warum solche Inter­ferenz­streifen nicht ständig um uns herum in Erscheinung treten?

Die Beugungs­erscheinungen treten erst dann in Erscheinung, wenn die Objekte sehr klein sind, sprich wenn deren Größe in die Nähe der Licht­wellen­länge kommt. Zusätz­lich ist ent­scheidend, dass sich ver­schiedene Wellen mit­einander in bestimmter Weise über­lagern.

„Inter­ferenz” bedeutet, dass sich zwei Wellen­züge beispiels­weise entweder in Phasen­gleichheit oder in einer Phasen­verschiebung ausbreiten.

Grafik (wird später eingefügt)

Wenn sich Wellen­züge von zwei Quellen kommend phasen­gleich ausbreiten, spricht man von „konstruktiver Inter­ferenz”. Der Gang­unter­schied ist jeweils ein Viel­faches der Wellen­länge.

z   ist ein ganze Zahl (0, 1, 2, ...)
λ   ist die Wellen­länge

Wenn man dagegen die Situation betrachtet, bei der sich die Wellen­züge phasen­verschoben aus­breiten, spricht man von einer „destruktiven Inter­ferenz”.

Grafik (wird später eingefügt)

In diesem Fall werden sich die beiden Wellen­züge komplett auslöschen.


Dass sich Licht­wellen so ohne weiteres Über­lagern können, liegt daran, dass die Wellen­gleichung eine lineare Differenzial­gleichung ist. Derartige Gleichungen haben den Vorteil, dass lineare Kombinationen von Lösungen wieder Lösungen ergeben. Als Ergebnis kommt wieder ein physika­lischer Wellen­zug heraus.

Warum man Inter­ferenz­erschei­nungen aller­dings nicht über­all beobachten kann, liegt daran, dass die Entstehung des Lichtes auf verschie­denen Vorgängen beruht. Das Licht wird nämlich in soge­nannten „Wellen­paketen” ausgesandt.

Solche Wellen­pakete werden deshalb ausgesendet, weil Licht immer dann emittiert wird, wenn ein Hüllen­elektron von einem höheren Energie­zustand in einen niedrigeren über­geht. In diesem Fall wird ein entspre­chender Energie­betrag in Form eines Photons frei­gesetzt. Und ein solches Photon wird dann im Rahmen des Wellen­models als ein solches Wellen­paket beschrieben.




Kohärenz

Bei einem Schwall von der­artigen Wellen­paketen kommt es auf­grund der sich ständig ändernden Anord­nung andauernd zu Phasen­verschie­bungen. Deshalb lässt es sich im Alltag auch nicht beobachten. Wenn man solche Inter­ferenz­erschei­nungen aller­dings unter­suchen möchte, muss soge­nannte „Kohärenz” vorhanden sein. Das ist dann der Fall, wenn die Phasen­beziehung zwischen zwei Licht­wellen über eine genügend lange Zeit nahezu erhalten bleibt.

Die wichtigste Kohärenz­größe ist die Kohärenz­zeit Δtc. Darunter versteht man einfach die Zeit, während derer sich die Phasen­differenzen um weniger als ändern, also um weniger als eine Wellen­länge.

Daneben gibt es noch die Kohärenz­länge Δsc. Und das ent­spricht der­jenigen Strecke, die das Licht während der Kohärenz­zeit zurück­legt. Letzten Endes ist das gleich­zusetzen mit der Länge eines solchen Wellen­pakets. Somit wird die Kohärenz­länge definiert als:

Beim Licht, welches beispiels­weise von einer normalen Glüh­birne ausge­sendet wird, liegen die Kohärenz­längen in der Nähe von μm. Bei hoch­wertigen Lasern sind die Kohärenz­längen in der Gegend von km angesiedelt. Laser haben somit über lange Strecken konsistente Wellen­züge mit lang­gestreckten Wellen­paketen. Und erst durch diese technische Umsetzung lassen sich Beugungs­erschei­nungen des Lichtes sichtbar machen.

Aber Licht in Form von elektro­magne­tischen Wellen durch­setzt den Raum in 3 Dimensionen. Und dann geht es darum, heraus­zufinden was passiert, wenn ein Wellen­zug eine Fläche durch­setzt. Wie verändern sich ggf. die Phasen­lagen.

Deshalb betrachtet man auch die Kohärenz­fläche Fc. Darunter versteht man diejenige Querschnitts­fläche, auf der keine nennens­werten Phasen­unter­schiede auf­treten. Das bedeutet natür­lich, dass die Phasen­verschie­bungen, die auf so einer Quer­schnitts­fläche auf­treten können, klein sind gegen die Licht­wellen­länge.

Wenn Licht durch so eine Quer­schnitts­fläche hindurch­tritt, wird sich auch ein Volumen­bereich ergeben, inner­halb dessen eine genügende Kohärenz der Wellen­züge vor­handen ist. Ein solches Volumen bezeichnet man als das Kohärenz­volumen ΔVc. Somit wird das Kohärenz­volumen definiert als:

Der erste, dem das gelungen ist, Inter­ferenz zu beobachten, war Thomas Young (1802). Er betrachtete von einem Licht­wellen­zug nur einen sehr kleinen Quer­schnitt. Young verwendete für seinen Versuch Sonnen­licht, also inkohärentes Licht. Er beschreibt seinen Versuchs­aufbau wie folgt:

"Ich machte ein kleines Loch in einen Fenster­laden, über­deckte es mit einem Stück dicken Papieres, in das ich mit einer feinen Nadel ein Loch stach, und benutze einen Spiegel, um den dünnen Licht­strahl umzuleiten, der durch das Loch kam. Ich nahm die dünne, ungefähr ein dreißigstel Inch (ca. 0,85 mm) breite Seite einer Spiel­karte und hielt sie in den Weg des Licht­strahls, sodass dieser zwei­geteilt wurde. Ich beobachtete den Schatten: neben farbigen Streifen zu beiden Seiten des Schattens war der Schatten selbst durch ähnliche parallele Streifen geteilt."

Quelle: T. Young 1804 Experiments and calculations relative to physical optics (The 1803 Bakerian Lecture) Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 1-16




Doppelspaltversuch

Grafik (wird später eingefügt)

Wenn zwei Spalte nahe genug bei­einander liegen, entstehen quasi zwei neben­einander befind­liche Licht­quellen. Der Licht­wellen­zug wird beim Auf­treffen auf die Spalte, auf­grund des kleinen Spalt­abstandes, anschlie­ßend kohärente Licht­quellen darstellen. Hinter dem Doppel­spalt wird sich das Licht dann in Form von Kugel­wellen ausbreiten. Und auf­grund der Kohärenz lassen sich schließ­lich Über­lagerungen deutlich erkennen.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Der „Doppel­spalt” ist in der Physik von größter Bedeutung. Auch zum besseren Verständnis quanten­mecha­nischer Phäno­mene dient der Spalt als Grund­lage, denn auch bei anderen Strahlen von Teil­chen (Elek­tronen, Protonen, Neutronen) zeigen sich eben­falls Inter­ferenz­erschei­nungen.

Nach heutiger Sicht: Wenn man einen Detektor an beiden Spalten positioniert, um fest­zustellen durch welchen Spalt das Elektron hindurch­tritt, verschwinden die Inter­ferenz­erschei­nungen. Wenn man dagegen keinen Detektor hin­stellt, bleiben die Inter­ferenz­erschei­nungen erhalten.

Die Quanten­mechanik ist insofern ein Gebiet, bei dem der Aspekt der Informations­über­tragung eine äußerst große Rolle spielt. Die Wellen­optik zeigt Inter­ferenz­erschei­nungen, die mit klassischen Methoden nicht verstanden werden können.

Einen weiteren Versuch hatte Augustin J. Fresnel (1821) unter­nommen. Er konnte mit Hilfe eines Winkel­spiegels zwei kohärente Licht­quellen noch konkreter darstellen.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Einer, der sich auf dem Gebiet der Optik besonders verdient gemacht hat, war der Physiker Albert A. Michelson. Er hatte ein „Inter­ferometer” erfunden, mit dessen Hilfe man die Inter­ferenzen messen konnte.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Mit einem solchen Inter­ferometer lässt sich das Maximum und das Minimum einer Inter­ferenz ermitteln und damit auch die Kohärenz­länge gut sichtbar machen. Wenn man in einen der beiden Licht­wellen­züge zum Beispiel zusätz­lich noch ein Dielektrikum einfügt, lassen sich Präzisions­messungen des Brechungs­indexes dieses Mediums durch­führen. Darüber hinaus kann auch die Licht­wellen­länge quanti­tativ bestimmt werden.

Michelson war der erste, der den Brechungs­index von Luft auf­grund der Ände­rung des entspre­chenden Inter­ferenz­musters ermittelte. Man spricht in diesem Zusammen­hang auch von einer „Zweistrahl-Inter­ferenz”.

Später hat sich gezeigt, dass die Inter­ferenzen noch wesent­lich deut­licher sicht­bar werden, wenn nicht nur zwei Strahlen mit­einander in Inter­ferenz gebracht werden, sondern viele Strahlen, die jeweils eine gewisse Phasen­beziehung zueinander haben. Dann kommt es zu einer deut­lichen Auf­schärfung der Inter­ferenz.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Bei sehr vielen Strahlungs­quellen bilden sich die Inter­ferenzen zu scharfen Resonanz­spitzen aus. Durch ein solches Verfahren wird die Mess­methodik um ein Viel­faches genauer. Das erreicht man insbesondere durch ein Fabry-Perot-Interferometer.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Hierbei wird von einer aus­gedehnten Licht­quelle die aus­gehenden Strahlen durch eine Sammel­linse zu einem parallelen Strahlen­bündel umge­wandelt. Anschlie­ßend trifft das Bündel unter einem bestimmten Winkel auf ein Glas­platten-Paar. Jedes Glas hat eine bestimmte Brechung und Reflexion. Der entspre­chende Winkel ϑ ist entschei­dend dafür, dass einige reflek­tierte Strahlen mit dem parallel verlau­fenden Strahlen­bündel zusammen­treffen und sich über­lagern.

Dadurch kommt es zu einer „Vielstrahl-Inter­ferenz”. Je nachdem welcher Winkel und welcher Abstand zwischen den Glas­platten gewählt wird, kommt es zu konstruktiver oder destruktiver Inter­ferenz. Abschlie­ßend wird das Parallel­strahlen­bündel in einer zweiten Sammel­linse gebündelt, und auf einem Beobachtungs­schirm ein Ring­muster abgebildet.

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Wenn man unter einem bestimmt Winkel ϑ auf die Glas­flächen ein­strahlt, kommt es zu einer gewissen Phasen­differenz und Weg­differenz, die sich definieren lässt als:

Grafik (Folie) (wird später eingefügt)

Haben solche Glas­platten eine relativ schlechte Reflexivi­tät, wird der Licht­strahl nicht sehr oft reflek­tiert. Dann kommt es nur zu einer Sinus­kurve in Abhängig­keit von dem Winkel ϑ. Wenn dagegen eine oder beide Glas­platten im Innern etwas mehr verspiegelt werden, beginnen die Ein­brüche der Licht­strahlen immer größer zu werden, und damit werden die Maxima immer schärfer. Bei einem Wert von 0,95 kommt es zu ganz scharfen Abgren­zungen mit dazwischen liegenden Dunkel­bereichen. Mit solch scharfen Resonanz­maxima lassen sich Wellen­längen und Distanzen mit sehr großer Genauig­keit ermitteln.





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