Кохеренција је ... Кохеренција светлосних таласа. Временску кохерентност

Размислите о таласу који се простире у свемиру. Кохеренција је мјера корелације између фаза, мерена у различитим тачкама. Кохерентност таласа зависи од карактеристика његовог извора.

Две врсте кохерентности

Хајде да погледамо једноставан пример. Замислите да два пловка расте и пада на површину воде. Претпоставимо да је извор талас је једини штап који хармонично уроњен и уклонити из воде ломи мирно површине површине воде. Стога постоји савршен корелација између кретања два сплавова. Они не може да се креће горе-доле управо у фази, када се иде горе, друга доле, али је разлика у фази између ставова две сплавова је константан у времену. Хармонично осцилира извор тачка производи апсолутно кохерентан талас.

Када описујемо кохерентност светлосних таласа, постоје две врсте светлосних таласа - временски и просторни.

Кохеренција се односи на способност светлостида произведе интерференцијални образац. Ако се два светлосна таласа скупита и не стварају области повећане и смањене светлости, они се називају неконзистентним. Ако произведу "идеалну" интерференцију (у смислу постојања региона потпуне деструктивне сметње), онда су потпуно кохерентни. Ако два таласа стварају "мање савршену" слику, онда се сматрају делимично кохерентним.

Мицхелсон интерферометар

Кохеренција је феномен који најбоље објашњава експеримент.

У микферсоновом интерферометру, светлост из извора С (која може бити свака: сунце, ласер или звезде) усмерена је на полупречно огледало М₀, што одражава 50% светлости у правцу огледала М₁ и пролази 50% у правцу огледала М₂. Раи се рефлектује са сваким огледалом, враћа се у М₀, и једнаки делови светла рефлектоване од М₁ и М_2, се комбинују и пројицирају на екран Б. Уређај се може подесити променом удаљености од огледала М₁ до снопа.

Интерферометар Мицхелсон у суштини мијеша сноп са одложеним временом у својој сопственој верзији. Светлост која пролази дуж пута до огледала М₁ мора проћи раздаљину од 2д више од греде која се креће до огледала М₂.

Дужина и време кохеренције

Шта се види на екрану? За д = 0, видимо пуно врло јасних сметњи у интерференцији. Када се д повећава, траке постају мање изражене: тамне области постају светлије и светле области постају затамнеле. Најзад, код веома великог д који прелази неку критичну вредност Д, светлосни и тамни прстенови потпуно нестају, остављајући само нечисту тачку.

Очигледно је да поље светлости не можеометати саму одложену верзију, ако је временско одуговлачење довољно велико. Удаљеност 2Д је дужина кохеренције: ефекти интерференције примећују се само ако је разлика у путању мања од ове удаљености. Ова вриједност може се конвертовати у вријеме т_ц дели га брзином светлости ц: т_ц = 2Д / с.

Микелсонов експеримент мери временску кохерентност светлосног таласа: његову способност да се мијеша у саму одложену верзију. Добро стабилизовани ласерски т_ц= 10^-4 ц, л_ц= 30 км; за филтрирано термичко светло т_ц= 10^-8 ц, л_ц= 3 м.

Кохерентност и време

Привремена кохеренција је мјера корелације између фаза светлосног таласа у различитим тачкама дуж правца ширења.

Претпоставимо да извор емитује таласе дужине λ и λ ± Δλ који ће у неком тренутку у простору ометати растојање л_ц = λ² / (2πΔλ). Ево ја_ц Је дужина кохеренције.

Фаза пропагације таласа у правцу к даје φ = кк - ωт. Ако узмемо узорак таласа у простору у времену т на растојању л_ц, фазна разлика између два таласа са векторима к₁ и к₂, који су у фази при к = 0, једнако је Δφ = л_ц(к₁ - к₂). Када је Δφ = 1, или Δφ ~ 60 °, светлост више није кохерентна. Интерференција и дифракција имају значајан утицај на контраст.

На овај начин:

• 1 = 1_ц(к₁ - к₂) = л_ц(2π / λ - 2π / (λ + Δλ));
• л_ц(λ + Δλ - λ) / (λ (λ + Δλ)) ~ 1_цΔλ / λ² = 1 / 2π;
• л_ц = λ² / (2πΔλ).

Талас пролази кроз простор брзином ц.

Време кохеренције т_ц = л_ц / с. Пошто је λф = ц, онда је Δф / ф = Δω / ω = Δλ / λ. Можемо да пишемо

• л_ц = λ² / (2πΔλ) = λф / (2πΔф) = ц / Δω;
• т_ц = 1 / Δω.

Ако је позната таласна дужина или ширина фреквенције извора светлости, л_ц и т_ц. Није могуће посматрати интерференцијални образац добијен дељењем амплитуде, као што је танки филмски интерференција, ако је разлика у оптичком путу знатно већа од л_ц.

Временска кохеренција указује на монохромну природу извора.

Кохерентност и простор

Просторни кохерентност - мера корелације између фаза светлосних таласа у различитим тачкама попречно на правац простирања.

На растојању Л од термо-монохроматског (линеарног) извора чије су линеарне димензије поријеклом од δ, двије прорезе лоциране на растојању већу од д_ц = 0.16λЛ / δ, више не производи препознатљиву интерференцију. πд_ц² / 4 је изворна кохерентност подручја.

Ако у једном тренутку погледате изворширина δ која се налази окомито на растојању Л од екрана, а затим на екрану можете видети две тачке (П1 и П2) раздвојене растојањем д. Електрично поље у П1 и П2 је суперпозиција електричних поља таласа које емитују све точке извора, чије зрачење није повезано једни са другима. Да би електромагнетни таласи оставили П1 и П2 да створе препознатљиву интерференцију, суперпосиције у П1 и П2 морају бити у фази.

Стање кохеренције

Светлосни таласи који емитују два ивицаизвор, у одређеном моменту има одређену фазну разлику у центру између две тачке. Зрак из леве ивице δ до тачке П2 да пренесе д (синθ) / 2 даље од снопа који ће ићи ка центру. Путања снопа из десне ивице δ до тачке П2, пролази на путу д (синθ) / 2 мање. Разлика у пређене за два снопа је д · синθ и представља разлику фаза Δф "= 2πд · синθ / λ За растојањима од П1 на П2 дуж таласа испред имамо Δφ = 2Δφ." = 4πд · синθ / λ. У таласи од стране два ивице извора, су у фази са П1 у времену т и ван фазе у региону 4πдсинθ / λ у П2. Пошто синθ ~ δ / (2Л), а затим Δφ = 2πдδ / (Лλ). Када је Δφ = 1 или Δφ ~ 60 °, светло се више не сматра кохерентним.

Δφ = 1 -> д = Лλ / (2πδ) = 0,16 Лλ / δ.

Просторна кохеренција указује на хомогеност фазе фронта таласа.

Лампа са жарном нити је пример неког кохерентног извора светлости.

Кохерентно светло може се добити из извораинцохерентно зрачење, ако одбије већину зрачења. Пре свега, просторна филтрација се врши да би се повећала просторна кохеренција, а затим спектрална филтрација да би се повећала временска кохеренција.

Фуријеова серија

Ваздух синусоидне равни је апсолутно кохерентану простору и времену, а његова дужина, вријеме и површина кохеренције су бесконачни. Сви стварни таласи су таласни импулси који трају коначни временски интервал и имају коначни правац према њиховом правцу ширења. Математички, описују их непериодичне функције. Да би се пронашле фреквенције присутне у импулсима таласа за одређивање Δω и дужину кохерентности, неопходно је анализирати непериодичне функције.

Према Фоуриеровој анализи, произвољноПериодични талас се може посматрати као суперпозиција синусоидних таласа. Синтеза Фурије значи да суппозиција скупа синусоидних таласа омогућава добијање произвољног периодичног таласа.

Комуникација са статистиком

Теорија кохеренције може се сматрати каовезу физике са другим наукама, јер је резултат фузије електромагнетске теорије и статистике, као и статистичке механика је удружење механике са статистиком. Теорија се користи за квантификацију и карактеризацију ефеката случајних флуктуација на понашање светлосних поља.

Обично је немогуће мерити флуктуације таласапоља директно. Појединачни "успон и падови" видљиве светлости не могу се директно детектовати или чак са сложеним инструментима: његова учесталост је 10¹⁵ флуктуације у секунди. Могу се мерити само просечне вредности.

Примена кохеренције

Повезивање физике са другим наукама на примјерКохеренција се може пратити у низу апликација. Делимично кохерентна поља су мање подложна атмосферској турбуленцији, што их чини корисним за ласерске комуникације. Оне се такође користе у проучавању ласерских реакција термонуклеарне фузије: смањење ефекта мешања доводи до "глатког" дејства греда на термонуклеарну мету. Посебно се користи кохеренција за одређивање величине звезда и одвајање бинарних звездних система.

Кохеренција светлосних таласа игра важну улогу упроучавање квантних, као и класичних поља. Године 2005, Рои Глаубер је постао један од добитника Нобелове награде за физику за допринос развоју квантне теорије оптичке кохеренције.