Licht ist eine elektromagnetische Welle. Wenn man eine Lichtquelle nutzt, die kohärentes Licht aussendet (alle Wellenzüge haben gleiche Frequenz, gleiche Amplitude und eine feste Phasenbeziehung), kann man zwei Wellenzüge des Lichts an einem Ort interferieren lassen und beobachtet dort Maxima und Minima, je nachdem wie groß der Gangunterschied der Wellenzüge ist.
Die von den meisten Lichtquellen ausgesandten Wellenzüge sind nicht kohärent, denn die Lichtquelle sendet die Wellenzüge in unregelmäßigen Zeitabständen aus, die Intensität und damit die Amplitude schwankt zufällig und es werden meistens gleichzeitig sehr unterschiedliche Frequenzen ausgesendet. Ein Beispiel für eine Lichtquelle, die nicht kohärentes Licht aussendet, ist eine Glühbirne. Schickt man die nicht kohärenten Wellenzüge einer Glühbirne auf einen Punkt, beobachtet man dort keine Maxima oder Minima, denn die Wellenzüge sind zu verschieden.
Ein Laser ist eine Lichtquelle, die kohärentes Licht aussendet. Im 3. Semester werden Sie beim Thema "Atomhülle" lernen Sie , wie eine Laser funktioniert. In einem Michelson-Interferometer teilt man einen vom Laser ausgesandten Wellenzug mit Hilfe eines Strahlteilers (50% werden nach oben reflektiert und 50% gehen gerade durch) auf und schickt diese dann mit Hilfe von Spiegeln auf zwei verschiedenen Wegen auf einen Schirm. Auf dem Schirm interferieren die beiden Wellenzüge.
Bei der Reflektion am Strahlteiler oder an den Spiegeln erfährt der reflektierte Wellenzug einen Phasensprung um 180° = \(\pi\) (aus einem Wellenberg wird bei der Reflektion ein Wellental). Es gibt verschiedene Bauweisen für Spiegel und Strahlteiler mit unterschiedlichen Phasensprüngen, wir modellieren hier die Reflektion immer mit einem Phasensprung von 180° = \(\pi\).
Man beobachtet folgende Interferenzsituationen auf dem Schirm:
- Wenn der Wegunterschied der beiden Wellenzüge ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, dann beobachtet man auf dem Schirm ein Maximum, der Schirm ist am Interferenzort hell.
- Ist der Wegunterschied der beiden Wellenzüge ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, dann beobachtet man ein Minimum auf dem Schirm, der Schirm ist am Interferenzort dunkel.
- Für andere Wegunterschiede beobachtet man eine mittlere Helligkeit auf dem Schirm.
Den Wegunterschied zwischen den beiden Wellenzügen kann man mit Hilfe eines beweglichen Spiegels einstellen.
Das entscheidende Kriterium für die Interferenzsituation auf dem Schirm ist beim Michelson-Interferometer der vom Licht zurückgelegte Weg. Das in der Schule verwendete Laserlicht eines Helium-Neon-Lasers hat eine Wellenlänge von \(633 \, \text{nm} = 633 \cdot 10^{-9} \, \text{nm}\). Für den Zusammenhang zwischen der Lichtgeschwindigkeit \(c = 299.792.458 \rm{\frac{m}{s}}\), der Wellenlänge \(\lambda\) und der Frequenz \(f\) gilt:
\[ c = \lambda \cdot f\]
Für die Frequenz des Laserlichts gilt dann:
\[ f = \frac{c}{\lambda} = \frac{299.792.458 \, \frac{\text{m}}{\text{s}}}{633 \cdot 10^{-9} \, \text{nm}} = 4,736 \cdot 10^{14} \, \text{Hz}\]
Die Wellenzüge des Laserlichts bewegen sich also extrem schnell, die Wellenlänge in einem Wellenzug sind extrem kurz und die Oszillation ist extrem schnell.
Um die Interferenzsituation zu modellieren, wird im folgenden das Zeigermodell verwendet:
- Jedem Wellenzug wird ein virtueller Zeiger mit einer bestimmten Länge zugeordnet. Die Länge steht für die Amplitude der Schwingung der Welle.
- Sobald ein Wellenzug seinen Weg zum Interferenzort begonnen hat, beginnt der zugeordnete Zeiger mit der Frequenz der Welle zu rotieren.
- Sobald ein Wellenzug am Interferenzort angekommen ist, stoppt der zugeordnete Zeiger seine Rotation.
- Wenn beide Wellenzüge am Interferenzort angekommen sind, also beide Zeiger aufgehört haben zu rotieren, wird mit Hilfe der Parallelogrammregel aus den beiden virtuellen Zeigern die Position und Länge des resultierenden Zeigers ermittelt.
Am Interferenzort können folgende Situationen beobachtet werden:
- Wenn die Länge des resultierenden Zeiger etwa doppelt so lang ist, wie die eines virtuellen Zeigers beobachtet man am Interferenzort ein Maximum.
- Wenn die Länge des resultierenden Zeigers etwa Null ist, beobachtet man am Interferenzort ein Minimum.
- Sonst beobachtet man eine mittlere Amplitude A und damit eine mittlere Intensität I (\(I = A^2\)).
Minimum:
Maximum:
