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Monochromatisches Licht

Sir Isaac Newton entdeckte die enge Verbindung zwischen Licht und Farbe

und erkannte, dass man Sonnenlicht in farbige Bänder zerlegen kann. Mit Hilfe eines Glassprisma's werden die Wellenlängen eines weißen Lichtstrahls an den Medienübergängen – Luft zu Glas und Glas zu Luft – verschieden stark abgelenkt. Kürzere Wellenlängen suchen sich durch dichteres Material einen kürzeren Weg – Huygenssches Prinzip. Die Farbverteilung wird als Spektrum des Lichts bezeichnet, die Lichtbrechung als Dispersion. 1

Prisma

Prisma

Frequenzabhängige Richtungsänderung beim Eintritt in ein anderes Medium.

© gulli:board

Das Licht der Sonne und vieler künstlicher Lichtquellen ist polychromatisch. Es enthält Wellen verschiedener Wellenlängen. Monochromatisches «mono-chromos, eine Farbe» Licht ist Licht mit einer diskreten Wellenlänge. Die Farbe eines solchen Lichtes nennt man Spektralfarbe. Die Herstellung von monochromatischem Licht kann unterschiedlich erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines Monochromators (Prismas, Beugungsgitter, optischer Filter), der polychromatisches Licht in seine Spektralanteile zerlegt. Oder man wählt den direkten Weg und nützt die Spektrallinien von Atomen bzw. Molekülen.

Monochromatoren

Beim Durchlaufen von Licht, unterschiedlicher Wellenlängen, wie beispielsweise Tageslicht, durch ein Prisma wird aufgrund der unterschiedlichen Brechungszahlen des Glases für unterschiedliche Wellenlängen kurzwelliges (blaues) Licht stärker gebrochen als langwelliges (rotes) Licht. Das Licht tritt daher je nach Wellenlänge unter einem anderen Winkel aus dem Prisma aus. Dadurch wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt.

Wenn Licht auf ein Beugungsgitter aus feinen 'Fäden' bestimmter Dicke und Abstand fällt, wird das einfallende Licht in alle Richtungen gebeugt. Durch Interferenz entsteht in bestimmten Beugungsrichtungen monochromatisches Licht.

Ein optischer Filter ist ein Material, das für manche Wellenlängen durchsichtig (transparent) und für andere undurchsichtig ist. Filter, die nur auf einem kleinen Wellenlängenbereich durchsichtig sind, erzeugen somit annähernd monochromatisches Licht. Optische Filter, die nur auf einem engen Wellenlängenbereich transparent sind, werden oft als Interferenzfilter hergestellt. 2

Spektrallinie

Atome oder Moleküle strahlen aufgrund von Übergängen zwischen ihren Energieniveaus elektromagnetische Wellen (auch im sichtbaren Bereich und somit Licht) ab. Die Energiedifferenz zwischen den Niveaus bestimmt die Energie, und damit die Wellenlänge, der entstehenden Strahlung. Da nur eine (relativ) kleine Zahl von wichtigen Energieniveaus existieren, gibt es auch nur eine kleine Zahl von Übergängen, und somit von entstehenden Wellenlängen. Man spricht in diesem Falle auch von einem Linienspektrum.

Laser

Laser

Es erfolgt eine kohärente Verstärkung der Lichtenergie bei gleichzeitigem Beibehalten der Eigenschaften des ursprünglichen Lichtsignals.

© TUM-Pysik Department

Laser

Ein Laser strahlt auf einer bestimmten Wellenlänge, die dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus entspricht, Laserlicht ist somit monochromatisches Licht einer Spektrallinie. 2 Die theoretischen Grundlagen für den optischen Verstärker hat die Quantentheorie Anfang des 19. Jh. gelegt. Einstein hat bereits 1917 die stimulierte bzw. induzierte Emission von Licht vorausgesagt, was die Grundlage des Lasers bildete. Das Grundprinzip eines Lasers «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» ist die so genannte stimulierte Emission (erzwungene Lichtaussendung) von Lichtwellen. Es erfolgt eine kohärente Verstärkung der Lichtenergie bei gleichzeitigem Beibehalten der Frequenz, Richtung, Polarisation und Phase des Ursprungsstrahls bzw. des Ursprungphotons.

Diese herausragende Eigenschaft bildet die Basis für die Photonik und den Einsatz des Lichtes als Werkzeug. Laser-Geräte können selbst unterschiedliche Eigenschaften des Lichtes in hoher Reinheit erzeugen. Große räumliche und zeitliche Kohärenz wird in heutigen Resonatoren erzeugt. Das Resultat sind räumlich gebündelte, zeitlich beständige 3Laserstrahlen mit fast monochromatischem (einfarbigen) Licht.

Ebene monochromatische Welle

Ebene monochromatische Welle

Bei dieser Wellenformation besteht ideale Kohärenz, was aber in der Natur nicht vorkommt.

© Matroids Matheplanet

KOHÄRENZ

Kohärenz «lat. cohaerere = zusammenhängen» beschreibt die zeitliche und räumliche Korrelation der Phasen von Wellen. Das Erstgenannte ist mit Einfarbigkeit gleichzusetzen, was bedeutet, dass kohärentes Licht monochromatisch ist. Räumliche Kohärenz ist ein Maß für den Grad der Phasenkorrelation, also inwieweit sich alle Wellen gleichen Wellenfronten zuordnen lassen. Durch den Prozess der stimulierten Emission besitzen die hinzukommenden Photonen identische Phase, Richtung und Polarisation. Durch die Resonatoreigenschaften entstehen allerdings weitere Moden, die eine perfekte Kohärenz verhindern. Inwieweit die richtige Phase an einem gegebenen Raumpunkt aufgrund dieser Eigenschaft vorhersagbar ist, wird durch die Kohärenzzeit τc bestimmt. 4

Für technische Anwendungen wird häufig eine Lichtquelle mit hoher Kohärenzlänge (lc = c * τc) verwendet. Diese Bedingung kann der Laser mit seinem nahezu monochromatischen Licht erfüllen. Es existiert keine vollständig monochromatische Lichtquelle mit unendlich scharfer Wellenlänge, jedoch kommt der Laser diesem Ideal so nahe wie keine andere Lichtquelle. 5

Selbst bei Weißlicht mit sehr geringer Kohärenz kann Interferenz an dünnen reflektierenden Schichten beobachtet werden, z.B. Newton‘sche Ringe an Ölfilmen.

Eine ebene monochromatische Welle, ideale Kohärenz, kommt in der Natur nicht vor und kann auch nicht künstlich erzeugt werden. Andererseits ist ein Wellenfeld aber auch nie wirklich inkohärent. Der Zustand dazwischen wird als Teilkohärenz bezeichnet, und seine Charakterisierung ist deutlich vielseitiger als diejenige der beiden Grenzfälle. 6


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