Interferenz
Sich überlagernde Wellen interferieren immer miteinander,
aber nur unter speziellen Bedingungen, in denen die Wellenlänge
des Lichts eine Rolle spielen kann, werden Interferenzerscheinungen
unmittelbar sichtbar.1 Wellen können konstruktiv
oder destruktiv interferieren; entscheidend dafür ist ihre
Phasendifferenz. Überlagern sich zwei phasengleiche Wellen,
trifft also Wellenberg auf Wellenberg, so verdoppelt sich die
Amplitude, und die Helligkeit vervierfacht sich. Trifft ein Wellenberg
auf ein Wellental, sind die beteiligten Wellen also gegenphasig,
löschen sie sich gegenseitig aus. Dunkelheit ist die Folge.
Dazwischen gibt es kontinuierliche Übergänge
(Abb. 6). Bei gleicher Wellenlänge
- und nur dann - können sich Wellen längere Zeit an
derselben Stelle vernichten oder verstärken. Die Verstärkung
und Auslöschung wird sichtbar als helle und dunkle Streifen.
Die Existenz von Interferenzphänomenen hat zusammen mit
dem Phänomen der Beugung dazu beigetragen, den Wellencharakter
des Lichts zu bestätigen. Interferenzeffekte wurden erstmals
1807 von Thomas Young nachgewiesen. Da Interferenzphänomene
nur dann auftreten, wenn beide Lichtquellen Lichtstrahlen gleicher
Wellenlänge abgeben, hat Young einen Sonnenlichtstrahl mit
Hilfe von Lochblenden in zwei gleiche, parallele Strahlen geteilt,
durch die Überlagerung beider Strahlen Interferenzmuster
erzeugt und auf einem Schirm aufgefangen. Der Physiker Jean Augustin
Fresnel führte 1816 eines der entscheidendsten Experimente
zum Nachweis der Interferenz durch. Fresnels Versuchsanlage war
einfacher und störungsfreier als die Youngs, denn die Phasenlage
verschiebt sich in normalem Licht nicht konstant, sondern sie
ändert sich sprunghaft. "Der entscheidende Gedanke
besteht darin, den Strahl einer monochromatischen Lichtquelle
aufzuteilen. Wenn sich dann die Phase der Lichtquelle ändert,
verändern beide Strahlen ihre Phase gleichzeitig; damit
bleibt die Beziehung zwischen den beiden Strahlen gleich. Wenn
die Bahnen der beiden Strahlen nicht zu verschieden sind, können
wir sie wieder zusammenführen und ihre Interferenz beobachten."2 Fresnel benutzte nicht zwei, sondern nur eine
punktförmige Lichtquelle, die er auf zwei nebeneinander
angebrachte Spiegel schickte. Fresnel erzeugte so zwei Teilstrahlenbündel
von zwar halber Amplitude, aber mit gleicher Wellenlänge.
"Er beobachtete, daß unter bestimmten Bedingungen
beim Aufeinandertreffen zweier Lichtkegel auf einer hellen Fläche
ein Muster von hellen und dunklen Streifen entstand: Die beiden
Lichtkegel verstärkten sich nicht nur, sondern sie löschten
sich an bestimmten Stellen gegenseitig aus."3
Ein Interferenzmuster entstand (Abb.
7).
Eine Voraussetzung für die gezielte Erzeugung von Interferenzmustern
ist die Kohärenz der Lichtquelle, daß also die ausgesandten
Wellen gleichmäßig und zusammenhängend sind (Abb. 3). Die Kohärenzlänge
einer Lichtquelle bezeichnet den räumlichen Bereich, in
dem es zur Ausbildung stabiler und damit aufzeichenbarer Interferenzmuster
kommen kann. Natürliche Lichtquellen, die zudem aus Wellen
unterschiedlicher Länge zusammengesetzt sind, emittieren
immer nur Wellenzüge einer sehr beschränkten Länge,
ihre Phase verändert sich sprunghaft. Sie schwingen nicht
über eine längere Strecke im gleichen Takt. Solche
Quellen sind inkohärent (nicht zusammenhängend).