Problem mit Interferenzbedingungen

Wenn wir sagen, dass zwei Quellen die „gleiche“ Frequenz haben, gibt es oft eine Grenze dafür, was „gleich“ bedeutet. Insbesondere erkennen wir normalerweise Kohärenz als ein wesentliches Attribut für die Erzeugung von Interferenz.

Betrachten wir das Beispiel eines Lasers. Um Interferenzen zu erzeugen, können Sie einen Laser in zwei Strahlen aufteilen und diese Strahlen dann miteinander interferieren lassen. Mit der richtigen Einstellung erhalten Sie Fransen. Wenn Sie jedoch einem "Bein" des Laserlichts einen zusätzlichen (konstanten) Pfad hinzufügen, werden Sie feststellen, dass die Streifen mit zunehmender Gesamtpfaddifferenz weniger gut definiert werden.

Im Wesentlichen passiert in diesem Beispiel, dass Sie beginnen, die Kohärenzgrenzen Ihres Lasers zu messen – bei welcher Zeit-/Wegdifferenz ist die Phasenbeziehung zwischen den beiden Strahlen noch gut definiert? Winzige Schwankungen in der Frequenz bauen sich schließlich auf und verursachen bei ausreichend langen Weglängen "Dekohärenz". Mit diesem Mechanismus lässt sich messen, wie stark eine Frequenzquelle schwankt – die Breite der Autokorrelation des Signals gibt Aufschluss über die Bandbreite.

Der Schlüssel hier ist, dass es so etwas wie "monochromatisches" Licht oder eine Quelle mit "konstanter" Frequenz nicht gibt. Jedes in der Natur erzeugte Signal hat einen gewissen Grad an Inkohärenz – sei es eine Doppler-Verschiebung aufgrund thermischer Bewegung oder eine von unzähligen anderen Ursachen. Es wird große Sorgfalt darauf verwendet, einige sehr stabile Oszillatoren herzustellen - der Cäsium-Uhrenstandard hat eine Fehlerrate von weniger als einer Sekunde in 100 Millionen Jahren - aber das ist immer noch nicht "konstant". So werden sogar zwei Cäsium-Uhren schließlich driften; und Oszillatoren, die von diesen Takten abgeleitet werden, garantieren kein konstantes Interferenzmuster.

Die Art und Weise, wie dies normalerweise gelöst wird, besteht darin, sicherzustellen, dass die Weglängen von der Quelle bis zum Störpunkt konstant gehalten werden. Auf diese Weise wird jeder Phasenfehler in einem Arm im anderen Arm repliziert, und das Interferenzmuster bleibt erhalten.

Die meisten Lichtquellen emittieren im Gegensatz zu Radar- oder Audioquellen keine konstante Phase. Während also das gesamte Licht eine bestimmte Wellenlänge haben kann, können die zufälligen (zeitlichen) Phasenverschiebungen Interferenzen beseitigen.