Warum macht der Laser Speckle, die Lampe nicht?

Man braucht räumliche und zeitliche Kohärenz. Der Laser ist monochromatisch und kommt aus einer engen Apertur — die zufälligen Phasen addieren sich zu einem stabilen Muster. Bei der Lampe viele Wellenlängen und Emissionsorte: die Interferenz ändert sich rasch und mittelt sich zu einem gleichmäßigen Fleck.

Sind Speckle eine Eigenschaft der Wand oder des Lichts?

Des ganzen Systems: kohärentes Licht plus Rauheit, die zufällige Phasen aufprägt. Dreht man die Fläche, ändert sich das Muster. Dass Speckle überhaupt auftreten, folgt aus der kohärenten Beleuchtung jeder rauen Fläche.

Was sagt die Korngröße?

Sie wächst mit der Wellenlänge und fällt mit der Winkelausdehnung des Bündels am Detektor. Engere Apertur — größere Speckle. Der Zusammenhang ist derselbe wie bei der Beugungsgrenze.

Stören Speckle nur, oder nutzt man sie?

Im Bild oft Rauschen. In der Messtechnik messen Speckle-Interferometrie und Musterkorrelation kleine Verschiebungen, Schwingungen und Rauheit.

Speckle-Muster

Kohärentes Licht und zufällige Phasen: körniges Muster I ∝ |Σ exp(i(k·r + φ))|². Qualitatives Streumodell.

Zum Modell

Ein Speckle-Muster ist die körnige Interferenz, wenn kohärentes Licht an einer rauen Fläche reflektiert wird oder eine Streuscheibe durchläuft. Das Feld in der Beobachtungsebene ist die Summe von Beiträgen mit zufälligen Phasen: E = Σ A_j exp(i(k·r_j + φ_j)), die Intensität I ∝ |E|². Zufällige Phasen ergeben helle und dunkle Körner. Das Licht ist monochromatisch und vollständig kohärent, die Phasen gleichverteilt auf [0, 2π), der Schnitt zweidimensional. Die mittlere Korngröße hängt mit Wellenlänge und Winkelapertur zusammen, wie bei der Beugungsgrenze. Auf dem Bildschirm eine Realisierung der Summe; neue Phasen ergeben ein anderes Muster. Inkohärentes Licht erzeugt keine Speckle: die Bilder mitteln sich aus.

Für wen: Hochschule, Wellenoptik: Kohärenz, Interferenz, Speckle.

Wichtige Begriffe

Speckle-Muster
Kohärenz
Interferenz
zufällige Phase
Superposition
Intensität

So funktioniert es

Viele kohärente Wellen mit zufälligen Phasen addieren sich in der Schirmebene: I ∝ |Σ exp(i(k·r + φ))|². Es entsteht ein körniges Muster — dieselben Speckle wie beim Laserpointer an der Wand. Anzahl der Wellen und eine neue Zufallsrealisierung der Phasen ändern Korngröße und Zeichnung. Das ist eine qualitative Summe, keine vollständige Rechnung einer rauen Fläche.

Häufige Fragen

Warum macht der Laser Speckle, die Lampe nicht?: Man braucht räumliche und zeitliche Kohärenz. Der Laser ist monochromatisch und kommt aus einer engen Apertur — die zufälligen Phasen addieren sich zu einem stabilen Muster. Bei der Lampe viele Wellenlängen und Emissionsorte: die Interferenz ändert sich rasch und mittelt sich zu einem gleichmäßigen Fleck.
Sind Speckle eine Eigenschaft der Wand oder des Lichts?: Des ganzen Systems: kohärentes Licht plus Rauheit, die zufällige Phasen aufprägt. Dreht man die Fläche, ändert sich das Muster. Dass Speckle überhaupt auftreten, folgt aus der kohärenten Beleuchtung jeder rauen Fläche.
Was sagt die Korngröße?: Sie wächst mit der Wellenlänge und fällt mit der Winkelausdehnung des Bündels am Detektor. Engere Apertur — größere Speckle. Der Zusammenhang ist derselbe wie bei der Beugungsgrenze.
Stören Speckle nur, oder nutzt man sie?: Im Bild oft Rauschen. In der Messtechnik messen Speckle-Interferometrie und Musterkorrelation kleine Verschiebungen, Schwingungen und Rauheit.

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