Interferenz

Unter Interferenz versteht man das Phänomen, dass mehrere Lichtwellen unter bestimmten Umständen miteinander interagieren, sodass sich die kombinierten Wellenamplituden vergrößern oder verkleinern. In diesem Beitrag werden sowohl die konstruktive als auch die destruktive Interferenz von Lichtwellen erörtert, die Ursachen für Interferenzen erläutert und zur Veranschaulichung dieses Phänomens einige Beispiele und Experimente aus der Praxis vorgestellt. 

Was ist die Interferenz von Lichtwellen?

Eine wichtige Eigenschaft von Lichtwellen ist ihre Fähigkeit, sich unter bestimmten Umständen zu überlagern. Interferenz in der Physik ist laut Definition die Überlagerung von Wellen, die zu einer Erhöhung oder Dämpfung der Amplitude der resultierenden Welle führt. Die meisten Menschen beobachten jeden Tag irgendeine Art von optischer Interferenz, wissen aber nicht, wie dieses Phänomen zustande kommt. Eines der besten Beispiele für Interferenz von Lichtwellen ist das Licht, das von einem auf Wasser schwimmenden Ölfilm reflektiert wird. Ein weiteres Beispiel ist die in Abbildung 1 dargestellte Seifenblase, die bei Beleuchtung durch natürliche oder künstliche Lichtquellen Farben reflektiert.

Was ist der Unterschied zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz?

Dieses dynamische Farbenspiel entsteht durch die gleichzeitige Reflexion des Lichts von der Innen- und der Außenfläche der Seifenblase (Abbildung 1). Beide Oberflächen liegen sehr eng aneinander (die Seifenblase ist nur wenige Mikrometer dick), und das von der inneren Oberfläche reflektierte Licht überlagert sowohl konstruktiv als auch destruktiv das von der äußeren Oberfläche reflektierte Licht. Das liegt daran, dass das von der Innenseite der Seifenblase reflektierte Licht einen weiteren Weg zurücklegen muss als das von der Außenfläche reflektierte Licht. Wenn sich die von der inneren und der äußeren Oberfläche reflektierten Lichtwellen vereinen, überlagern sie sich und schwächen oder verstärken einige Teile des weißen Lichtspektrums durch destruktive oder konstruktive Interferenz. Dies führt zu sichtbaren Farbunterschieden, die von der Seifenblase reflektiert werden. Wenn der zusätzliche Weg, den die inneren Lichtwellen zurücklegen müssen, genau der Wellenlänge der äußeren Lichtwellen entspricht, erfolgt eine konstruktive Rekombination, und es werden leuchtende Farben mit diesen Wellenlängen wiedergegeben. An Stellen, an denen die Wellen nicht übereinstimmen, kommt es zu destruktiven Interferenzen, die das reflektierte Licht (und die Farbe) auslöschen.

Wie kommt es zur Interferenz von Licht?

Im Folgenden wird erklärt, wie Lichtwellen einander überlagern. Betrachten wir ein Paar Lichtwellen derselben Lichtquelle, die sich beispielsweise in Richtung D bewegen. Dies ist die Ausbreitungsrichtung (siehe Abbildung 2). Wenn die Schwingungen (lotrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie durch C in Abbildung 2 dargestellt) parallel zueinander und auch parallel zur Schwingungsrichtung verlaufen, können die Lichtwellen einander überlagern. Wenn die Schwingungen nicht in der gleichen Ebene liegen und im Winkel von 90 Grad zueinander schwingen, können sie sich nicht gegenseitig stören.

Konstruktive Interferenz

Wenn alle oben genannten Kriterien erfüllt sind, können die Wellen sich konstruktiv oder destruktiv überlagern. Wenn die Scheitelpunkte einer Welle mit den Scheitelpunkten der anderen Welle zusammenfallen, addieren sich ihre Amplituden. Wenn die Amplituden der beiden Wellen gleich groß sind, würde sich die resultierende Amplitude verdoppeln. Es ist zu beachten, dass sich die Lichtintensität direkt mit dem Quadrat der Amplitude verändert. Wenn sich die Amplitude verdoppelt, vervierfacht sich somit die Intensität. Eine solche additive Interferenz wird als konstruktive Interferenz bezeichnet (siehe Abbildung 2).

Destruktive Interferenz

Wenn die Scheitelpunkte einer Welle mit den Tälern der anderen Welle zusammenfallen, reduziert sich die resultierende Amplitude oder kann sogar ganz unterdrückt werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet. Das Ergebnis ist eine geringere Intensität oder, bei vollständiger Unterdrückung, Schwärze.

Erfahren Sie, wie zwei Lichtwellen einander überlagern können.

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Beispiele für Interferenzen

Thomas Young war ein Physiker des frühen 19. Jahrhunderts, der Interferenz nachwies, indem er zeigte, dass Licht ein Wellenphänomen ist. Er postulierte auch, dass die verschiedenen Farben des Lichts durch unterschiedliche Wellenlängen entstehen. Dies stand im Gegensatz zu der damals weit verbreiteten Meinung, dass Licht ein Strom von Teilchen ist. Im Jahr 1801 führte Young ein Experiment durch, das einen wichtigen Beweis für die Welleneigenschaften von sichtbarem Licht lieferte. Bei diesem klassischen Experiment, das oft als „Doppelspaltexperiment“ bezeichnet wird, wurde ursprünglich Sonnenlicht als Lichtquelle verwendet, das an einem Spalt gebeugt wurde. Wir werden das Experiment jedoch mit kohärentem rotem Laserlicht beschreiben.

Das Doppelspaltexperiment

Der grundlegende Aufbau des Doppelspaltexperiments ist in Abbildung 4 dargestellt. Eine Barriere mit zwei Lochblenden, die nur ein Teil des Lichts durchlassen, wird mit kohärentem Laserlicht beleuchtet. Im Bereich hinter den Spalten befindet sich ein Schirm, auf dem ein Muster aus hellen roten und dunklen Interferenzstreifen sichtbar wird. Der Schlüssel zu diesem Experiment ist die wechselseitige Kohärenz des Lichts, das von den beiden Spalten gebeugt wird. 

Erfahren Sie, wie sich Interferenzmuster mit der Wellenlänge und der Spaltgröße verändern.

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Was sind Interferenzstreifen?

Bei der Beugung des Laserlichts durch die beiden Spalte trifft jede gebeugte Welle in einer Reihe von Schritten auf die andere, wie in Abbildung 4 (und grafisch in dem oben beschriebenen interaktiven Tutorial) dargestellt. Manchmal treffen sich die Wellen synchron (oder in Phase; konstruktive Interferenz), manchmal asynchron (oder außerhalb der Phase; destruktive Interferenz) und manchmal teilweise synchron. Wenn sich die Wellen synchron treffen, addieren sie sich aufgrund konstruktiver Interferenz und erscheinen auf dem Schirm heller. In den Bereichen, in denen die Wellen nicht synchron aufeinandertreffen, schwächen sie sich aufgrund destruktiver Interferenz gegenseitig, und dieser Teil des Schirms erscheint dunkel. Die sich daraus ergebenden Muster auf dem Schirm entstehen durch die Interferenz der beiden gebeugten Laserstrahlen und werden oft als Interferenzstreifen bezeichnet.

Um die Wellennatur des Lichts und Interferenzeffekte zu demonstrieren, wurden noch weitere Experimente entwickelt. Am bemerkenswertesten sind das Einzelspiegelexperiment von Humphrey Lloyd und die von Augustin Fresnel entwickelten Doppelspiegel- und Biprismaexperimente. Diese Experimente sind in vielen der Physikbücher, die in unserer Bibliographie aufgeführt sind, ausführlich beschrieben.

Die Newtonschen Ringe

Sir Isaac Newton, der berühmte Mathematiker und Physiker des 17. Jahrhunderts, war einer der ersten Wissenschaftler, der Interferenzphänomene untersuchte. In seinem berühmten Experiment zur Abbildung der Newtonschen Ringe legte er eine Sammellinse mit großem Krümmungsradius auf eine flache Glasplatte und presste Linse und Glasplatte zusammen. Als er die Platte durch reflektiertes Sonnenlicht betrachtete, sah er eine Reihe konzentrischer heller und dunkler, bunter Lichtstreifen, ähnlich wie in Abbildung 5. Newton erkannte, dass die Ringe eine gewisse Regelmäßigkeit aufwiesen, und entwickelte aus dieser Beobachtung eine Wellentheorie des Lichts. Trotzdem betrachtete Newton Licht als einen Strom von Teilchen.

Die Ringe entstehen durch eine dünne Luftschicht zwischen der gewölbten konvexen und der planen Glasoberfläche. Das von der Ober- und Unterseite des Glases reflektierte Licht wird überlagert (kombiniert) und erzeugt Interferenzmuster, die als farbige Ringe erscheinen. Dieses Prinzip wird häufig von Linsenherstellern verwendet, um die Gleichmäßigkeit großer polierter Flächen zu prüfen.

Interferenzintensität und Streifenverteilung

Interferenzstreifen (wie im Doppelspaltexperiment von Young) variieren in ihrer Intensität, wenn die Lichtstrahlen auf einen gleichförmigen Hintergrund fallen. Die Sichtbarkeit (V) der Intensität wurde von Albert Michelson, einem Physiker des frühen 20. Jahrhunderts, als Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Intensität eines Streifens geteilt durch deren Summe definiert:

V = I(max) - I(min)/I(max) + I(min)

hierbei ist I(max) die maximale Intensität und I(min) die minimale Intensität. Aus der Gleichung ergibt sich, dass die idealtypische Interferenzstreifenintensität immer zwischen null und eins liegt. In der Praxis hängt die Sichtbarkeit der Interferenzstreifen jedoch von der geometrischen Gestaltung des Experiments und dem verwendeten Spektralbereich ab. Dadurch entstehen die unzähligen Interferenzmuster, die in der Natur zu beobachten sind.

Interferenzfarben, die in Materialien durch belastete Bereiche entstehen, lassen sich im polarisierten Licht leicht beobachten. Das Lineal in Abbildung 6 besteht aus Kunststoff und wird durch Kreuzpolarisatoren betrachtet. Bei normalem Licht erscheint das Lineal durchscheinend und seine Einteilung ist deutlich sichtbar. Bei Betrachtung unter polarisiertem Licht zeigt das Lineal jedoch Spannungsmuster, die in den stärker verformten Bereichen ausgeprägter sind. Dies ist auf eine starke Ausrichtung der langkettigen Polymermoleküle zurückzuführen, aus denen das Lineal besteht. Die stärkste Doppelbrechung tritt in der Nähe des Lochs auf der linken Seite des Lineals auf.

Praktische Anwendungen von Interferenzen

Andere Anwendungen der Lichtinterferenz sind Lasermessungen über große Entfernungen. Mit Lasern können so beispielsweise sehr kleine Abstände aus vielen Kilometern Entfernung gemessen werden. Dazu wird der Laserstrahl geteilt und von verschiedenen Oberflächen reflektiert. Durch Analyse der sich ergebenden Interferenzstreifen (nach Rekombination der einzelnen Laserstrahlen) lässt sich die Entfernung zwischen beiden Objekten bemerkenswert genau berechnen.

Auch Hologramme nutzen die Interferenz von Licht, um dreidimensionale Bilder zu erzeugen. Bei Reflexionshologrammen werden sowohl ein Referenz- als auch ein Objektbeleuchtungsstrahl von gegenüberliegenden Seiten auf eine dicke Folie reflektiert. Diese Strahlen überlagern sich und erzeugen helle und dunkle Bereiche, die ein dreidimensionales Bild ergeben. Bei Transmissionshologrammen befinden sich sowohl der Referenzstrahl als auch der Lichtstrahl des Objekts auf derselben Seite des Films, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.

Interferenzen treten auch bei Schallwellen und Wasserwellen in einem stehenden Wasserbecken auf. Ein sehr prägnantes und einfaches Interferenzexperiment lässt sich zu Hause mit einem Waschbecken voller Wasser und zwei Murmeln durchführen. Warten Sie zunächst, bis das Wasser ganz ruhig ist, und lassen Sie dann die Murmeln (im Abstand von etwa 25–35 cm) aus einer Höhe von etwa 30 cm gleichzeitig in das Wasser fallen. Genau wie bei den Lichtwellen erzeugen die beiden Murmeln im Wasser eine Reihe von Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Die Wellen, die sich in dem Bereich bilden, in dem die Murmeln in das Wasser eindringen, werden schließlich zusammenstoßen. Wo sie synchron zusammenstoßen, addieren sie sich konstruktiv zu einer größeren Welle, wo sie asynchron zusammenstoßen, heben sie sich destruktiv gegenseitig auf. Probieren Sie es aus!