Optische Kohärenz

Kohärenz misst den Grad der Korrelation zwischen den Phasen eines Lichtfeldes zu verschiedenen Zeiten oder an verschiedenen Positionen und bestimmt, ob Interferenz beobachtet werden kann.

Definition

Die statistische Korrelation des optischen Feldes mit sich selbst an verschiedenen Raum-Zeit-Punkten, charakterisiert durch Korrelationsfunktionen, deren Betrag die Sichtbarkeit von Interferenzstreifen bestimmt.

Scope

Dieses Thema behandelt die statistische Beschreibung von partiell kohärentem Licht. Es unterscheidet zwischen temporaler Kohärenz, die mit der spektralen Bandbreite zusammenhängt und durch die Kohärenzzeit und -länge quantifiziert wird, und räumlicher Kohärenz, die mit der Winkelgröße der Quelle zusammenhängt und durch die Kohärenzfläche quantifiziert wird. Es werden die gegenseitige Kohärenzfunktion und der komplexe Kohärenzgrad eingeführt, der Zusammenhang zwischen Streifenkontrast und Kohärenzgrad sowie das van Cittert-Zernike-Theorem, das die Quellengeometrie mit der räumlichen Kohärenz verbindet. Es behandelt Kohärenz als die Eigenschaft, die die Beobachtbarkeit und den Kontrast von Interferenz und Beugung steuert.

Core questions

• Was unterscheidet temporale von räumlicher Kohärenz?
• Wie begrenzen spektrale Bandbreite und Quellengröße die Kohärenz?
• Wie hängt der Kohärenzgrad mit der Streifensichtbarkeit zusammen?
• Wie bestimmt die Geometrie einer Quelle ihre räumliche Kohärenz?

Key concepts

• temporale Kohärenz
• räumliche Kohärenz
• Kohärenzzeit
• Kohärenzlänge
• Kohärenzfläche
• Kohärenzgrad
• Streifensichtbarkeit
• van Cittert-Zernike-Theorem

Key theories

Gegenseitige Kohärenzfunktion und Kohärenzgrad

Die Korrelation des Feldes an zwei Raum-Zeit-Punkten definiert die gegenseitige Kohärenzfunktion; ihr normierter Betrag, der komplexe Kohärenzgrad, entspricht der Sichtbarkeit der resultierenden Interferenzstreifen.

Van Cittert-Zernike-Theorem

Die räumliche Kohärenz des Lichts einer ausgedehnten inkohärenten Quelle wird durch die Fourier-Transformation der Intensitätsverteilung der Quelle gegeben, sodass größere oder entferntere Quellen eine größere Kohärenzfläche ergeben.

Clinical relevance

Die kurze Kohärenzlänge von Breitbandlichtquellen wird in der Nieder-Kohärenz-Interferometrie und der optischen Kohärenztomographie genutzt, um Reflexionen aus bestimmten Gewebetiefen zu lokalisieren, was eine mikrometergenaue Querschnittsbildgebung des Auges und anderer Organe ermöglicht.

History

Die moderne statistische Theorie der Kohärenz wurde Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt und baute auf den Arbeiten von van Cittert und Zernike zur räumlichen Kohärenz in den 1930er Jahren auf. Wolf formulierte einen einheitlichen Rahmen von Korrelationsfunktionen, der zum Standard wurde und später mit Mandel auf den Quantenbereich erweitert wurde.

Key figures

• Emil Wolf
• Frits Zernike
• Pieter van Cittert

Seminal works

• bornwolf1999
• mandelwolf1995

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Kohärenzlänge und Kohärenzzeit?

Die Kohärenzzeit ist das Intervall, über das die Phase der Welle vorhersagbar bleibt, und die Kohärenzlänge ist die entsprechende Strecke, die das Licht in dieser Zeit zurücklegt; beide nehmen ab, wenn die spektrale Bandbreite der Quelle zunimmt.

Warum ist Laserlicht so kohärent?

Ein Laser emittiert ein schmales Wellenlängenband aus einem einzigen Modus, was ihm eine lange Kohärenzlänge verleiht, und seine Ausgabe erfolgt als gut definierter Strahl, was ihm eine hohe räumliche Kohärenz verleiht, weshalb er scharfe, kontrastreiche Interferenzmuster erzeugt.