Kohärenz oder Phasengleichheit eines Laserstrahls

Was bedeuten die zwei Begriffe und wo liegt der Unterschied?

Die Kohärenz respektive kohärente Strahlung bezeichnet in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die in Bezug auf ihre räumliche und zeitliche Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung aufweisen. Diese theoretische, etwas sperrige Definition trifft im Alltag unter anderem auf den Lichtstrahl zu, der durch eine Laserquelle erzeugt wird.

Begriffseingrenzung

Um die Kohärenz genauer zu erläutern, ist zunächst ein Blick auf den Laserstrahl zu werfen. Der „light amplification by stimulated emission of radiation“ – auf Deutsch die “Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung” ist ein Sammelbegriff aus der Physik. Als Laser wird sowohl der physikalische Effekt, also der Lichtstrahl, als auch das entsprechende Gerät (Lasermaschine, Laserquelle) bezeichnet.

Laserstrahlen

Sind elektromagnetische Wellen
Verfügen über einen oft sehr engen Frequenzbereich (schmalbandige Emitter)
Bestehen aus einem scharf gebündelten Lichtstrahl
Haben – je nach Lasertyp – eine große Kohärenzlänge

Laser finden sich im Alltag in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Ob im Laserpointer, der gerne im Zuge von Präsentationen eingesetzt wird, in Werkzeugen oder für das Auslesen von optischen Speichermedien wie Blu-Rays oder CDs: Der Laserstrahl ist aus dem modernen Leben nicht wegzudenken.

Die Phasengleichheit

Der Begriff Kohärenz, aus dem Lateinischen stammend und im deutschen auch als Phasengleichheit bezeichnet, bedeutet grob übersetzt „zusammenhängend“. Mit dem Begriff werden in der Physik spezifische Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen bezeichnet. Bei diesen Wellen existiert zwischen zwei Wellenzügen eine feste Phasenbeziehung. Bleibt diese Phasenbeziehung konstant, ist die Erzeugung eines stabilen Interferenzmusters möglich.
Bei kohärentem Licht wird weiterhin zwischen zeitlicher und räumlicher Ausprägung unterschieden. Beide Ausprägungen lassen sich am besten mit einem kleinen Gedankenbeispiel verdeutlichen.

Zeitliche Kohärenz

Würde man sich neben eine aus mehreren Wellenzügen bestehende elektromagnetische Welle stellen und lässt diese dann an sich vorbeiziehen, würden sich die Phasenbeziehungen zweier Wellenzüge nicht ändern. Sie bleiben in Ausbreitungsrichtung der Welle also unverändert.

Räumliche Kohärenz

Würde es für Licht ein Bezugssystem geben und würde man sich in dieses hineinstellen (und das Bezugssystem zusätzlich mit der elektromagnetischen Welle verbinden) und dann senkrecht zur Welle schauen, so würde man erkennen, dass sich die Phasenverschiebungen zwischen zwei Wellen nicht ändern.

Der Unterschied zu inkohärentem Licht

Eine gewöhnliche Lichtquelle, beispielsweise eine Deckenlampe, sendet Licht aus, das sich aus vielen einzelnen Wellenzügen zusammensetzt. Bei allen natürlichen Lichtquellen sind die ausgesendeten Wellenzüge nicht kohärent. Der Grund liegt in den eigentlichen Lichtquellen: Den Atomen. Wird ein einziger Wellenzug bei einem Licht-Emissionsvorgang ausgestrahlt, dauert dies rund 0,0000000001 Sekunde. Daraus lässt sich die theoretische Länge dieses Wellenzuges berechnen: 3 Meter. Nun gehen wir auf die Atomebene zurück und betrachten ein Atom, welches einen Wellenzug aussendet. Wir stehen dabei neben dem Weg, den das Licht zurücklegt und betrachten den ersten Wellenzug, der an uns vorbeiläuft. Irgendwann – diese Zeitdauer ist nicht definiert – sendet das Atom den nächsten Wellenzug aus. Auch dieser Wellenzug verfügt über „Berge“ und „Täler“, die mit dem ersten Wellenzug in einer zwar durchaus festen, aber auch vollkommen willkürlichen Phasenbeziehung stehen. Das gleiche gilt für alle weiteren ausgesendeten Wellenzüge. Zwischen den einzelnen von einem Atom ausgesendeten Wellenzügen ist darum keine feste Phasenbeziehung feststellbar – sie wechselt vielmehr von Wellenzug zu Wellenzug. Hinzu kommt: gewöhnliche Lichtquellen senden Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aus. Bei Wellenzügen mit unterschiedlicher Wellenlänge ändert sich die Differenz der Phasen natürlich. Und: Gewöhnliches Licht strahlt nicht in eine parallele, sondern in unterschiedlichste Richtungen.

Das zeitlich und räumlich phasengleiche Licht eines Lasers

Bei Laserlicht handelt es sich um elektromagnetische Wellen, die sowohl zeitlich als auch räumlich kohärent sind. Hier ist sowohl in Ausbreitungsrichtung als auch senkrecht dazu eine feste Phasenbeziehung erkennbar. Bei Laserlicht sind die einzelnen Wellenzüge überaus lang, gleichzeitig schwingen die nebeneinander liegenden Wellenzüge im Gleichtakt.

Eigenschaften des Laserlichts

Lasergeräte senden extrem gebündelte Lichtstrahlen aus. Diese verlaufen zusammen in gerader Linie und weisen so gut wie keine Streuung auf. Im Gegensatz dazu stehen herkömmliche Lichtquellen, die Lichtwellen gestreut in alle Richtungen emittieren. Bei einem Laserstrahl haben weiterhin alle Lichtwellen dieselbe Farbe. Dieser Zustand wird auch als Monochromatismus bezeichnet. Während der Bewegung der Lichtwellen in einem Laserstrahl schwingen sie in perfekter Synchronisation.

Einteilung der Laser in unterschiedliche Klassen

Laserstrahlen können abhängig vom emittierten Licht für Menschen gefährlich werden. Daher werden die Lasermaschinen in unterschiedliche Geräteklassen eingeteilt, wobei die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 durch den jeweiligen Hersteller erfolgt.
Die Klasse 1 bezeichnet dabei Laser, deren Strahlung vollkommen ungefährlich ist. Schon ab der Klasse 2 können ernste Schäden an den Augen und Netzhäuten auftreten, wenn der Laserstrahl direkt auf das Auge gerichtet wird und die Wirkungsdauer 0,25 Sekunden überschreitet. Laser der Klasse 3B sind für das Auge überaus gefährlich und können sogar die Haut schädigen. Klasse 4 schließlich bezeichnet Geräte, deren Laser das Auge extrem schnell schädigen und auch für die Haut gefährlich sind. In dieser Typklasse ist selbst gestreute Strahlung noch gefährlich und kann Brände oder Explosionen auslösen.