Fasebalans van een laserstraal

In de natuurwetenschappen verwijst coherentie of coherente straling naar elektromagnetische golven die een vaste faseverhouding hebben in termen van hun ruimtelijke en temporele voortplanting. In het dagelijks leven geldt deze theoretische, ietwat omslachtige definitie voor de lichtstraal die door een laserbron wordt gegenereerd.

Om de samenhang nader toe te lichten, moeten we eerst de laserstraal bekijken. De "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling" is een verzamelnaam uit de fysica. De term laser duidt zowel het fysieke effect aan, d.w.z. de lichtstraal, als het overeenkomstige apparaat (laser machine, laserbron).

Laserstralen

• Zijn elektromagnetische golven
• Hebben vaak een zeer smal frequentiebereik (smalbandige zender)
• Bestaan uit een scherp gefocuste lichtstraal
• Hebben een lange coherentie lengte, afhankelijk van het type laser

In het dagelijks leven worden lasers voor de meest uiteenlopende toepassingen gebruikt. Of het nu gaat om een laserpointer, die vaak wordt gebruikt in presentaties, in tools of voor het lezen van optische opslagmedia zoals Blu-rays of CD's: De laserstraal is onmisbaar in het moderne leven.

De term coherentie, afgeleid van het Latijn, betekent ruwweg 'verbonden'. De term verwijst naar specifieke eigenschappen van elektromagnetische golven in de fysica. Deze golven hebben een vaste faseverhouding tussen twee golftreinen. Als deze faseverhouding constant blijft, is het mogelijk om een stabiel interferentiepatroon te genereren. Bij coherent licht wordt verder onderscheid gemaakt tussen temporele en ruimtelijke eigenschappen. Beide kenmerken kunnen goed geïllustreerd worden met een klein denkpatroon.

Temporele samenhang

Als u naast een elektromagnetische golf zou staan die uit meerdere golftreinen bestaat en deze zou laten passeren, zouden de faseverhoudingen van twee golftreinen niet veranderen. Ze blijven ongewijzigd in de voortplantingsrichting van de golf.

Ruimtelijke samenhang

Als er een referentiekader voor licht was en u zou uzelf daarin plaatsen (en het referentiekader met de elektromagnetische golf verbinden) en er loodrecht op kijken, zou u ontdekken dat de faseverschuivingen tussen twee golven niet veranderen.

Een gewone lichtbron, bijvoorbeeld een plafondlamp, straalt licht uit dat is samengesteld uit vele individuele golftreinen. Voor alle natuurlijke lichtbronnen zijn de uitgezonden golftreinen niet coherent. De reden hiervoor ligt in de eigenlijke lichtbronnen: de atomen. Als een enkele golftrein in een lichtemissieproces wordt uitgezonden, duurt dit ongeveer 0,0000000001 seconden. Hieruit kan de theoretische lengte van deze golftrein worden berekend: 3 meter. Nu gaan we terug naar het atoomniveau en kijken we naar een atoom dat een golftrein uitzendt. We staan naast het pad dat het licht aflegt en kijken naar de eerste golftrein die ons passeert. Op een gegeven moment - deze periode is niet gedefinieerd - zendt het atoom de volgende golftrein uit. Deze golftrein heeft ook "bergen" en "dalen", die in een gevestigde maar volledig willekeurige fase-relatie staan met de eerste golftrein. Hetzelfde geldt voor alle andere uitgezonden golftreinen. Om deze reden is er geen vaste fase-relatie tussen de individuele golftreinen die door een atoom worden uitgezonden - het verandert van golftrein naar golftrein. Bovendien: gewone lichtbronnen zenden licht uit met verschillende golflengten. Bij golftreinen met verschillende golflengten verandert het faseverschil op natuurlijke wijze. En: gewoon licht straalt niet in een parallelle, maar in verschillende richtingen.

Laserstralen kunnen gevaarlijk zijn voor de mens, afhankelijk van het uitgestraalde licht. Daarom worden lasermachines onderverdeeld in verschillende machineklassen, waarbij de classificatie wordt uitgevoerd door de betreffende fabrikant volgens DIN EN 60825-1. Klasse 1 heeft betrekking op lasers waarvan de straling volledig onschadelijk is. Vanaf klasse 2 kan er ernstige schade aan ogen en netvlies ontstaan als de laserstraal direct op het oog gericht is en de duur van het effect meer dan 0,25 seconden bedraagt. Lasers van klasse 3B zijn uiterst gevaarlijk voor het oog en kunnen zelfs de huid beschadigen. Tot slot verwijst klasse 4 naar machines waarvan de lasers het oog extreem snel beschadigen en ook gevaarlijk zijn voor de huid. In dit soort klasse is zelfs verspreide straling gevaarlijk en kan het leiden tot brand of explosies.