Kohärenz – Definition, Erklärung und Beispiel

Die Kohärenz ist in der Physik eine Eigenschaft von Wellen. Sie sagt aus, dass sich zwei Wellen bis auf ihre konstante Phase nicht voneinander unterscheiden. Analog kann die Kohärenz auch wie folgt definiert werden. Zwei Wellen sind kohärent zueinander, wenn ihre Interferenz ein räumlich stationäres Interferenzmuster erzeugt. Beide Definitionen sind äquivalent zueinander.

Doch wie lässt sich die Bedeutung der Kohärenz nun genau verstehen? Wellen haben ein bestimmtes Muster in ihren Auslenkungen. Das Muster wiederholt sich dabei per Definition genau nach einer Wellenlänge. Beim Sinus wiederholt sich der Amplitudenverlauf zum Beispiel, nachdem man das zweite Mal (den Startpunkt ausgenommen) die x-Achse erreicht. Wellen können aber auch sehr viel komplizierter aussehen und sich zum Beispiel erst nach dem zehnten Durchgang durch die x-Achse wiederholen. Von Kohärenz zweier Wellen spricht man nun, wenn beide Wellen das gleiche wiederholende Amplitudenmuster haben. Da es hierbei keine Rolle spielen soll, an welchem Punkt begonnen wird, beide Wellen zu beobachten, erlaubt man, dass man den Startpunkt der Welle frei wählen kann. Diese Freiheit wird durch die Phasenbeziehung beider Wellen berücksichtigt. Vorstellen kann man sich das wie folgt. Fange ich an, eine Sinuskurve von null und eine von (180) zu betrachten, scheint es, dass sich die Amplitudenverläufe beider Wellen nicht sehr ähneln, wenn ich sie einfach übereinanderlege. Verschiebe ich nun eine der beiden Wellen jedoch um die Phase (180), zeigt sich, dass beide Amplitudenverläufe exakt gleich sind. Die Wellen sind demnach kohärent zueinander.
In der realen Physik ist es jedoch so, dass sich zwei Wellen aus verschiedenen Quellen in der Regel durch kleine Unterschiede selbst bei gleichem Muster in ihrer Wellenlänge voneinander unterscheiden. Dieser kleine Unterschied lässt sich bei komplett unabhängigen Systemen selbst mit hohem Aufwand nicht vermeiden. Die Kohärenzeigenschaft gibt demnach eine Aussage darüber, ob zwei Wellen den gleichen Ursprung haben oder nicht.

Eine wichtige Anwendung findet die Kohärenz vor allem in der Laseroptik, da Laser ohne die Erzeugung von kohärentem Licht nicht funktionieren würde. Die Kohärenzeigenschaft ist hierbei wichtig, da sich nur so das im Laser erzeugte Licht dauerhaft konstruktiv überlagern kann, um so hohe Lichtintensitäten bei gleichzeitig geringem Energieaufwand erzeugen zu können. Da Laser durch ihren Aufbau kohärentes Licht erzeugen, bieten sich diese optimal zur Materialforschung an, da mithilfe der erzeugten stationären Interferenzmuster Informationen über das untersuchte Material gewonnen werden können.