Kohärenz & Speckle

Question 1

Was ist ein Phase Washout?

Answer 1

Der Effekt, der entsteht wenn statistische Fluktuationen durch die ständige Änderung der Phase der Quelle und sich dadurch das Interferenzmuster rausmittelt.
Licht unterschiedlicher Quellen ist unterschiedlich interferenzfähig.

Ändert sich die Phasenbeziehung zwischen Ort/versch. Zeiten, dann löschen sich Interferenzphänomene aus

Question 2

Was ist zeitliche Kohärenz?

Answer 2

Lichtstrahl aufteilen und wieder zusammenführen und Interferenz beobachten, wenn feste Phasenbeziehung herrscht

Question 3

Wie kann man Wellen räumlich kohärent machen?

Answer 3

sie durch ein Pinhole laufen lassen (Beugung) –> zeitlich aber noch inkohärent

Question 4

Wo wird zeitliche Kohärenz eingetzt?

Answer 4

In der Time-Domain OCT

Zeitliche Interferenz zwischen zwei Wellen: U teilen in U1 und U2

Question 5

Was sagt der Grad der Kohärenz aus?

Answer 5

Amplitude kürzt sich raus.
Verhältnis der Interferenzinfo der einzelnen Arme 1 und 2 –> gegen 0, dann gibt es keine Interferenzphänomäne und wenn Kohärenzfkt. gegen 1, dann entstehen max. Interferenztermen (vollständige Kohärenz)

Question 6

Was besagt das Wiener Chintchin Theorem?

Answer 6

FT des Leistungsspektrums |A|^2(w) (Auskunft über spektrale Zusammensetzung des Rauschens)spektrum (welche Intensitäten sind bei welcher Frequenz in der Lichtquelle enthalten) ist die zeitliche Kohärenzfunktion

Question 7

Wann ist die Kohärenzfkt. schmal und wann breit?

Answer 7

breitbandige Lichtquelle (viele Farben) ist kurzkohärent (schmale Kohärenzfkt), Laser  lange kohärente Quelle.

Kohärenzfunktion genau angeben durch kennen des Spektrums

Question 8

Welche Kohärenz möchte man bei der OCT erreichen und warum?

Answer 8

Keine Laserquelle –> Auflösung besser mit breitbandiger Lichtquelle –> man möchte Kurzkohärentität)

Question 9

Was ist abhängig von der Kohärenzfunktion in einer Abbildung ?

Answer 9

der Kontrast/Sichtbarkeit

Question 10

Was ist räumliche Kohärenz?

Answer 10

entsteht, wenn wir unterschiedliche Orte betrachten (Doppelspalt) und nicht unterschiedliche Laufzeiten.

Question 11

Was ist das Äquivalent zum Wiener Chintchin Theorem und was besagt diese?

Answer 11

Das Zitter Zernicke Theorem, bei räumlicher Kohärenz

• Strahlen alle Punkte einer Lichtquelle statistisch unabhängig, dann ist der Kohärenzgrad nach großer Distanz z proportional zur Fouriertransformierten der Intensitätsverteilung
• -> Enten stellen kohärente Wellen her erst total inkohärent –> weit entfernte Wellenfront wird deutlich kohärent

Question 12

Wie funktionieren Radioteleskop Arrays ?

Answer 12

Bestimmung der Intensitätsverteilung aus Korrelationsfkt:
Radioteleskope, die Nebel detektieren  Nebel erstmal sehr klein  ordentliche Kohärenzfkt., die wir aufnehmen (Korrelation zwischen Signalen detektieren=Kohärenzfkt) und fouriertransformieren  Rückschlüsse, wie Objekt aussah  FT der Korrelation = inkohärentes Objekt

Kleiner Winkel –> sehr kohärente Quelle, nicht Größe des Objektes relevant, sondern wie klein Winkelausdehnung des Objektes

Question 13

Wie ist die Gesamtstrahlung beschrieben, wenn zwei in/kohärente Strahlungen aufeinander treffen?

Answer 13

inkohärente Strahlung:
keine Interferenzphänome/erscheinungen auf, Die Intensitäten addieren sich (Betragsquadrat der Amplituden), die Phasenbeziehung ändert sich ständig zwischen Orten/Zeiten.

kohärente Strahlung: Interferenzerscheinungen, das elektrische Feld addiert sich, Zwei Orte/Zeiten haben fortlaufend eine feste Phasenbeziehung

Question 14

Was sind Quellen in/kohärenter Strahlung?

Und Quellen räumlich kohärent, aber zeitlich inkohärent?

Answer 14

kohärent: Laser, räumlich und frequenzgefiltere Lichtquelle(über Pinhole/Filter)

inkohärent: Weißlichtquelle, thermische Strahler, LED, Tageslicht

Räumlich kohärent, aber zeitlich inkohärent: räumlich gefiltert (Pinhole), Superlumineszenzdioden Halbleiter (SLDs) spontane Emission,
Superkontinuumlichtquelle

Question 15

Gibt es inkohärente Holografie?

Answer 15

Ja, Interferenz mit gekrümmter Objektwelle  Hologramm vom Mond

Question 16

Was sind Speckle?

Answer 16

• Effekt bei kohärentem Licht
• Kleine granulare Struktur
• Starke Veränderungen bei leichter Veränderung der Oberfläche
• Entstehung durch zufällige Interferenzen

Phasoren (physikalisch): Kohärentes Licht wird von einer rauen Oberfläche reflektiert/gestreut  An der rauen Oberfläche sammelt das Licht unterschiedliche, zufällige Laufzeiten  auf einem Schirm/im Auge interferiert das Licht zufällig  kohärente Phasoren Überlagern (addieren sich) das Gesamtfeld ist ein Random-Walk aus komplexen Zahlen

Question 17

Specklestatistiken (Wahrscheinlichkeitsverteilung) bei Intensitäten, Amplituden, Phasen

Also wie wahrscheinlich ist es, wenn wir mit einer kohärenten Lichtquelle (konstante Leistung) eine raue Oberfläche beleuchten, dass wir an bestimmten Punkten eine bestimmte Intensität betrachten? Welche Intensitäten betrachten wir in den einzelnen Punkten?

Answer 17

Speckle folgen der Statistik:

Die häufigste Intensität, die wir betrachten ist die Intensität Null (am meisten kommt eine schwarze Fläche vor), nimmt dann exponentiell ab.

Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Amplitude auftritt ist bei dem Sigma (abhängig von Intensität) am größten und dann

Phase ist gleichverteilt

Question 18

Wie beschreibt man die Größe der statistischen Speckleerscheinungen?

Answer 18

Die “breite” der (normierten) Autokorrelationsfunktion ist ein mögliches Maß hierfür (Wie können wir die Funktionen verschieben, dass dort immer noch eine Korrelation vorhanden ist und wann fängt die Korrelation an zu versacken?)
• Wir unterscheiden zwei Szenarien: ohne/mit Abbildung:

ohne: wir bilden Specklemuster auf einen Schirm
mit: mit Linse (größe der Linse entscheidend wie groß Speckle sind)

Question 19

Möglichkeiten Speckle zu unterdrücken?

Answer 19

Mitteln unabhängiger Specklemuster (Specklemuster kombinieren):
- Aus versch. Aperturen
- Aus versch. Polarisationszuständen
- Benachbarte Bildpunkte
- Durch Einführung einer zusätzlichen Modulation
Oder durch eine Reihe von versch. Rein numerischen Verfahren

Question 20

Anwendungen wo man Speckle einsetzt?

Answer 20

• Hi-Lo-Mikroskop
• Electronic Speckle Pattern Interferometrien (mit Referenzstrahl wie Holografie, aber mit Abbildung und Speckle sind vorhanden) Obektverformung aus zwei zeitversetzten Abbildungen erkennen –> Phase durch Differenz der Bilder Ia und Ib berechnen
• ESPI (aus zwei Richtungen beleuchten)

Question 21

Kohärenzfunktion?

Answer 21

Die Kohärenzfunktion ist ein Maß für den Grad der linearen Abhängigkeit zweier Zeitsignale über der Frequenz.

Question 22

Hi-Lo-Mikroskop Funktion?

Answer 22

Es werden zwei Bilder aufgenommen,
eins gleichmäßig ausgeleuchtet (Gleichanteil) und eins
mit einem Specklemuster (hochfrequenten Anteil) –> kombinieren
Sektionierung:

• Unabh¨angige Beleuchtung (koh¨arent mit
Specklemuster) und Detektion
(inkoh¨arent, fluoreszierend)
• Das fluoreszierende Sample strahlt
inkoh¨arent zur¨uck und das
Specklemuster ist nur scharf abgebildet
aus der Ebene, die in der Abbildung
fokussiert
• Es lassen sich damit einzelne Ebenen
sektionieren

Question 23

Was ist Sektionierung?

Answer 23

Nur hohe Frequenzen detektieren.

Wir erhalten nur Licht aus einer einzigen Tiefe aus der Probe zurück erhalten, alle anderen werden unterdrückt, wenn unscharf abgebildet

Question 24

Quadratischer Phasenfaktor

Answer 24

Immer dann wenn wir eine sphärische welle (Kugelwelle) haben

Q(a)= e^ia(x^2+y^2)

Je kleiner a, desto flacher die Parabel)

• soll einen kleinen Ausschnitt der Kugelwelle darstellen –> Phasenfront durch Parabel annähern

Question 25

Wo tritt der Q auf?

Answer 25

Propagator

Fresnelnäherung/transformation: FT vom Q ergibt anderen Q durch Binomische Formel

Question 26

Propagation?

Answer 26

FT des Wellenfeldes mit Phase e^ikzz (kz als Parabel angenähert) multiplizieren, also das ftWellenfeld mit Q multiplizieren