Koherenzeffekte

Koherenzeffekte bezeichnet Phänomene, die auftreten, wenn Wellen oder Quantenzustände eine definierte Phasenbeziehung zueinander besitzen. Diese Phasenbeziehung kann zeitlich, räumlich oder spektral stabil sein und führt zu Interferenz, Diffraktion und weiteren kollektiven Erscheinungen.

In der Optik unterscheidet man verschiedene Formen der Koherence. Die zeitliche Koherence beschreibt, wie stabil die Phasenrelation über die Zeit bleibt, die räumliche Koherence, wie weit sich diese Beziehung über den Raum erstreckt. Maßgrößen sind die Koherenzzeit τc, die Koherenzlänge Lc, sowie der komplexe Grad der Kohärenz und die Normalisiertenkorrelationen g1(τ) und g2(τ). Für ein Licht mit spektralem Breite Δν gilt ungefähr τc ≈ 1/Δν und Lc ≈ c τc. Hochkohärentes Licht (z. B. Laserlicht) hat lange τc und Lc; weißes oder thermisches Licht ist oft nur teilweise kohärent.

Der komplexe Grad der Kohärenz γ12(τ) = ⟨E1*(t) E2(t+τ)⟩ / √⟨|E1|^2⟩⟨|E2|^2⟩ beschreibt, wie stark zwei Feldpunkte miteinander korreliert sind. Ist der Betrag von γ nahe 1, erscheint ein deutliches Interferenzmuster; bei geringem Betrag verschwindet es. Neben der feldkoherence gibt es auch die Intensitätskorrelation (zweite Ordnung), die bei g2 ungleich null Effekte wie Photonbunching anzeigen kann.

Quantenkoherence bezieht sich auf stabile Phasenrelationen zwischen Quantenzuständen und ermöglicht Superposition sowie Interferenz in Systemen wie zweistufigen Atomen oder Qubits. Koherenzeffekte sind zentral für Techniken wie Interferometrie, Holographie, Spektroskopie, Kohärenztomographie und optische Kommunikationssysteme, insbesondere wenn Phasenstabilität oder spektrale Eigenschaften entscheidend sind.