Physik-LK · Skript PL4 · Wellenoptik

Laser-Speckle

Leuchtet ein Laser auf eine Wand, sieht der Fleck nicht glatt aus, sondern körnig. Die raue Fläche wirft von jedem ihrer Punkte Licht mit einer anderen, zufälligen Phase zurück. An jeder Stelle des Schirms addieren sich all diese kohärenten Wellen: Mal verstärken sie sich, mal löschen sie sich aus. Dieses Interferenzmuster heißt Speckle. Es wird hier aus einer zufälligen Fläche wirklich ausgerechnet.

So gehst du vor

1Tippe ins Bild. Rechts siehst du, wie sich an dieser Stelle die Wellen von der Fläche als Zeiger addieren.
2Vergleiche mit „hellste Stelle“ und „dunkelste Stelle“.
3Ändere Lichtfleck D, Schirmabstand L und Wellenlänge: Wie groß sind die Körnchen? Der Maßstab im Bild hilft dir.
4Wechsle die Fläche und die Lichtquelle. Wann gibt es Körnchen, wann nicht?

Muster auf dem Schirm

Zeigerkette an der gewählten Stelle

Die Fläche ist in 36 Stücke geteilt, jedes liefert einen Zeiger, von blau bis orange. Der grüne Pfeil ist die Summe. Die Zeiger laufen in einer Irrfahrt mal hierhin, mal dorthin. Die Länge 1 entspricht dem Mittelwert der Intensität.

Einstellungen

Fläche

Lichtquelle

Wellenlänge λ

633 nm

Durchmesser des Lichtflecks D

2,0 mm

Abstand Fläche und Schirm L

1,0 m

Rauheit der Fläche: 3,0 µm (mittlere Abweichung)

Körnchengröße: λ · L geteilt durch D ≈ 0,32 mm

Kontrast im Bild: 0,99

Wie oft kommt welche Helligkeit vor?

Die Säulen zeigen die Helligkeiten im Bild oben, die orange Kurve ist die Vorhersage für vollkommen zufällige Zeiger, proportional zu exp(−I⟨I⟩). Die meisten Stellen sind dunkel, wenige sehr hell. Bei voll entwickeltem Speckle ist der Kontrast (Streuung der Helligkeit geteilt durch ihren Mittelwert) gleich 1.

Aufträge

Tippe auf die hellste und auf die dunkelste Stelle. Wie unterscheiden sich die Zeigerketten?
Verdopple D, verdopple danach L. Wie ändert sich die Körnchengröße? Woher kennst du diesen Zusammenhang?
Wähle den Spiegel und danach polierten Stahl. Warum gibt es beim Spiegel keine Körnchen, sondern nur einen hellen Punkt?
Papier mit LED und mit weißem Licht: Was geschieht mit dem Kontrast? Warum sieht man im Alltag bei Lampenlicht keine Körnchen?
Beleuchte eine andere Stelle der Fläche. Was bleibt am Muster gleich, was ändert sich? Erkläre damit, warum Speckle zum Messen von Verformungen und Bewegungen genutzt wird.

Theorie: Wellenoptik-Skript, Abschnitte „Gangunterschied und Kohärenz“ und „Warum beugt schon ein einzelner Spalt?“. Im Bildungsplan: Interferenzphänomene im Alltag, 3.6.5 (6).