Koherenssi (fysiikka)

Koherentit aallot ovat aaltoja, joissa on keskenään pelkästään ja muuttumattomasti saman vaihe-eron, taajuuden, amplitudin ja aaltomuodon aaltoja, jotka etenevät samaan suuntaan. Aaltojen vaiheiden ei tarvitse välttämättä olla samat, kunhan niiden välisten vaiheiden ero on sama. Kun sanotaan, että aalloilla on sama taajuus, jo tämä riittää kertomaan, että aaltojen välinen vaihe-ero pysyy väistämättä vakiona. Aallot voivat olla sini-, kantti-, kolmioaaltoja tai mitä tahansa muita aaltoja, kunhan niiden kaikkien muoto on sama. Aallot eivät heikkene tai voimistu eli niiden amplitudi eli aallonkorkeus ei muutu. Aallot voivat edetä sädemäisen suoraan vain tiettyyn suuntaan tai pallomaisesti joka suuntaan, joten samalla suunnalla tarkoitetaan aaltojen etenemistä yhtenevänä rintamana toisiinsa nähden.

Koherentit aallot ovat ihanteellisia ja täysin koherentteja aaltoja ei tosielämässä ole. Aallot voivat olla muun muassa sähkömagneettista säteilyä (esim. valoa, radioaaltoja), hiukkasia (esim. elektroneja, atomeja) tai ääniaaltoja. Valon kohdalla samataajuisuuden vuoksi koherentit aallot ovat myös monokromaattisia, eli valo sisältää vain yhtä aallonpituutta ja on siten puhtaan yksiväristä. Koherentit aallot vahvistavat tai heikentävät toisiaan, eli interferoivat keskenään. Laser ja maser ovat suunnilleen koherenttia säteilyä tuottavia laitteita.

Koherenssi voidaan myös luokitella kahteen muotoon, jotka poikkeavat yllä kuvatusta määritelmästä. Aaltojen interferenssikuvioiden havaitsemiseksi interferoivien aaltojen täytyy olla molemmanlaisia, ajallisesti ja avaruudellisesti koherentteja,[1] vaikka interferenssissä aallot menevätkin päällekkäin.

Temporaalisesti eli ajallisesti koherentti aaltolähde lähettää vain yhden taajuuden ja aaltomuodon aaltoja, jotka eivät ajan myötä muuta ominaisuuksiaan.[1] Yhdestä taajuudesta ja aaltomuodosta johtuen tällainen aaltolähde on esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn kohdalla monokromaattinen ja näkyvästä valosta puhuttaessa valo on myös puhtaan yksiväristä. Nimitys "ajallisesti koherentti" johtuu siitä, että tällaiset aallot ovat ajan kuluessa muuttumattomia ja mitkä tahansa aaltojen kahden eri hetken muodot voivat interferoida keskenään. Tässä koherenssin luokittelussa ei kuitenkaan oteta huomioon sitä, mihin suuntaan aaltolähteen aallot etenevät. Ne voivat edetä hajanaisesti ja mennä ristikkäin.

Yhden aallonpituuden valoa (valo on aina sinimuotoista) hajanaisesti tuottava lamppu on ajallisesti koherentti aaltolähde yhdestä taajuudesta (ja aaltomuodosta) johtuen, mutta ei ole avaruudellisesti koherentti hajanaisuudesta johtuen. Epäkoherentin aaltolähteen, kuten valkoista valoa tuottavan hehkulampun valo, voidaan muuttaa ajallisesti koherentiksi suodattamalla valosta pois kaikki, paitsi yhden aallonpituuden valo.

Spatiaalisesti eli avaruudellisesti koherentti aaltolähde lähettää aaltoja, jotka etenevät ristikkäin menemättä avaruudeksi kutsutun tilan eri kohtiin. Avaruudellisesti koherentit aallot eivät ajan myötä muuta ominaisuuksiaan.[1] Aallot voivat edetä avaruuteen vaikkapa sädemäisen suoraan tai laajalle pallomaisesti. Avaruudellisesti koherentti aaltolähde voi lähettää usean eri taajuuden ja aaltomuodon aaltoja.

Valkoista valoa (eli usean aallonpituuden valoa) lähettävä ihanteellinen laser on avaruudellisesti koherentti aaltolähde koska aallot etenevät vain yhteen suuntaan, mutta se ei ole ajallisesti koherentti useasta aallonpituudesta johtuen. Myös kaukana olevista tähdistä maapallolle tuleva valo on likimain avaruudellisesti koherenttia valoa, sillä suurista etäisyyksistä johtuen valo etenee kauas päästyään suunnilleen yhtenä pallomaisena rintamana. Epäkoherentin aaltolähteen lähettämät aallot voidaan muuttaa avaruudellisesti koherenteiksi ohjaamalla aallot etenemään vain yhteen suuntaan.

Ajallisesti ja avaruudellisesti koherentti aaltolähde on yhden aallonpituuden valoa lähettävä ihanteellinen laser.