Когерентные световые волны определение. Время и длина когерентности. Когерентные волны. интерференция волн

Мы окружены предметами привычных размеров; мы знаем, каких размеров наше тело; мы уверены: один стул комфортен для одного лишь человека. В мире микроквантовом, в мире вещей микроскопических, все представляется менее прозаичным: стул, уменьшенный в пару сотен миллиардов раз и принявший размер атома, потеряет свои четкие границы, как и любой уменьшенный так предмет. Причем все предметы смогут вместиться в одно пространство, при этом друг другу не мешая. Почему? В квантовом мире объекты — волны, проникающих друг в друга, поэтому на один стул вполне могут присесть и пять человек, и десять, и двадцать. Такие волны назвали волнами когерентными.

Когерентность означает взаимосвязь, согласованность (cohaerens — связывающий, находится в связи). Когерентные волны, соответственно, имеют одинаковые частоты, одинаковые амплитуды, одинаковую разность фаз. Этим признакам соответствуют неограниченные ни во времени, ни в пространстве.

Чтобы когерентность волн почувствовать экспериментально, вещи (объекты) не только нужно уменьшить, но и очень сильно охладить, т.е. занизить хаотическое движение атомов. И речь здесь не просто о "минусе", а о миллиардных долях градуса по Кельвину. Волновые свойства того же стула должны стать заметными при невообразимо низкой температуре: - 45 К.

Интересная особенность волн — в способности когерентно складываться, т.е. упорядоченно и согласованно. Например, когерентные волны во времени — музыка. Да-да, музыка! Каждый звук звучащей мелодии, его продолжительность, его частота, его высота — строгая упорядоченность и соответствие. Ослабление когерентности воспринимается нами, как фальшивое звучание, а потеря когерентности — как шум. Именно когерентность отличает музыку от бессвязных и раздражающих порой звуков.

Так и объектам квантового мира когерентность дает новые качества, столь ценные для создания и получения абсолютно новых материалов, порой радикально меняющих существующие технологии.

Не случайно более 40% Нобелевских премий за последние два десятилетия связаны именно с когерентными явлениями: холодные атомы, сверхпроводники.

Способы получения когерентных волн:

• инструментальное получение (деление одной волны, идущей от источника, на две);
• деление фронта.

Дециметрово-миллиметровые диапазоны используются преимущественно в связи и радиоэлектронике. Но за последние 15-20 лет их применение возросло в областях нетрадиционных, и преимущественно в биологии и медицине. А более коротковолновые диапазоны использовались еще раньше, с момента открытия источника когерентных колебаний.

Вы слышали о физиотерапии? Разумеется — да. Это — первая область использования когерентных волн в медицине. Прогревание тканей позволяло (и позволяет сейчас) ускорять реакции (как химические, так и биохимические), чем и определялся физиотерапевтический эффект. Волны способны проникнуть вглубь организма, непосредственно в те ткани, в которые их направляют.

А насколько ценно открытие гипертермии! Еще в шестидесятых годах прошлого столетия установили: когерентные волны способны разрушать злокачественные опухоли.

Никого не удивляет сегодня и лазерная хирургия, в которой используются все те же когерентные волны, но только в очень узких пучках, способных разрушать как ткани мягкие, так и костные. Здесь применимы различные лазеры, с различными частотами, в зависимости от характера операций и тканей. Практически "бескровные" операции, после которых пациент выздоравливает гораздо быстрее.

Анализ появившихся новых направлений применения когерентности волн позволяет думать, что и медицина, и биология довольно скоро станут основными областями их применения.

1. Две волны называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны, частоты которых одинаковы.

Две волны называются когерентными, если разность их фаз изменяется с течением времени. Монохроматические волны различных частот, а также волны, состоящие из ряда групп - цугов волн, начинающихся и обрывающихся независимо друг от друга со случайными значениями фаз в моменты начала и обрыва каждой группы, являются когерентными.

2. При наложении двух волн, линейно поляризованных в одной плоскости, амплитуда А результирующей волны связана с амплитудами и и фазами и суперпонируемых волн в рассматриваемой точке волнового поля соотношением:

В случае наложения некогерентных волн с различными частотами и амплитуда А - периодическая функция времени с периодом Если, как это обычно имеет место в оптических опытах, наименьшая возможная продолжительность наблюдений, то в эксперименте может быть зарегистрировано лишь среднее значение квадрата амплитуды результирующей волны: Следовательно, при наложении некогерентных волн наблюдается суммирование их интенсивностей:

3. В случае наложения когерентных волн, линейно поляризованных в одной плоскости, где и - начальные фазы суперпонируемых волн в рассматриваемой точке поля. Амплитуда А результирующей волны не зависит от времени и изменяется от точки к точке поля в зависимости от значения где

Максимальная и минимальная интенсивности результирующей волны соответственно равны:

Если, то и т.е. вдвое превосходит сумму интенсивности суперпонируемых когерентных волн.

4. В результате наложения когерентных волн, линейно поляризованных в одной плоскости, происходит ослабление или усиление интенсивности света в зависимости от соотношения фаз складываемых световых волн. Это явление называется интерференцией света. Результат наложения когерентных волн, наблюдаемый на экране, фотопластинке и т.д., называется интерференционной картиной. При наложении некогерентных волн имеет место только усиление света, т.е. интерференция не наблюдается.

5. Каждый атом или молекула источника света излучает цуг волн в течение промежутка времени порядка. Продолжительность цуга имеет величину порядка длин волн, так что в первом приближении каждый такой цуг можно считать квазимонохроматичным. Однако при спонтанном излучении, которое осуществляется в обычных источниках света, электромагнитные волны испускаются атомами (молекулами) вещества независимо друг от друга, со случайными значениями начальных фаз. Поэтому за время ф наблюдения в оптических опытах волны, спонтанно излучаемые атомами (молекулами) любого источника света, некогерентны и при наложении не интерферируют.

Наряду со спонтанным излучением возможен другой тип излучения - индуцированное (вынужденное) излучение, возникающее под действием переменного внешнего электромагнитного поля. Индуцированное излучение когерентно с возбуждающим его монохроматическим излучением. Оно обладает той же частотой направлением распространения и поляризацией. Эти особенности индуцированного излучения используются в квантовых генераторах - мазерах и лазерах.

6. Для получения когерентных световых волн и наблюдения их интерференции с помощью обычных источников спонтанного излучения применяют метод расщепления волны, излучаемой одним источником света, на две или большее число систем волн, которые после прохождения различных путей накладываются друг на друга. В каждых двух таких системах волн имеются попарно когерентные между собой и одинаково поляризованные цуги, соответствующие одним и тем же актам излучения атомов источника. Результат интерференции указанных систем волн зависит от разности фаз, приобретаемой когерентными цугами волн вследствие прохождения ими различных расстояний от источника до рассматриваемой точки интерференционной картины.

7. На рис.1 изображена принципиальная схема интерференционных установок, в которых свет от источника S с линейным размером 2b, малым по сравнению с длиной волны, расщепляется на две системы когерентных волн с помощью зеркал, призм и т.д. Здесь и - источники когерентных волн (действительные или мнимые изображения источника S в оптической системе установки), - апертура интерференции, т.е. угол в точке S между крайними лучами, которые после прохождения через оптическую систему сходятся в точке M - центре интерференционной картины на экране EE, угол схождения лучей в точке M.

8. Обычно S имеет вид щели, параллельной плоскости симметрии оптической системы. При EE|| интерференционная картина представляет собой полосы, параллельные щели.

В обозначениях =2l, OM=D, MN=h распределение интенсивностей в интерференционной картине для монохроматической волны

имеет максимумы при:

и минимумы при:

где m - целое число, называемое порядком интерференции, а

Интенсивность в точке М (при h=0).

9. Расстояние между соседними максимумами или минимумами ():

Величина В называется шириной интерференционной полосы. Интерференционная картина тем крупнее, чем меньше 2l (или щ). Угловая ширина полос интерференции:

10. Если размеры источника, то наблюдается отчётливая интерференционная картина. Практически, и интерференционная картина определяется наложением расщеплённых когерентных волн от разных точек источника. Интерференционная картина остаётся отчётливой при приближенном условии:

где 2 - апертура интерференции, л - длина волны.

11. Контрастность интерференционной картины определяется из формулы:

где Emax, Emin - освещённости экрана в местах максимумов и минимумов картины, т.е. в центрах светлых и тёмных полос, B=лD/2l - ширина интерференционной полосы, 2b - размеры источника. Величина v называется видимостью полос. Зависимость v=f(2b/B) показана на рис.2.

12. Интерференционная картина в немонохроматическом свете, длины волн которого лежат в интервале от л до, полностью смазывается, когда с интерференционными максимумами m-го порядка для излучения с длиной волны совпадают максимумы (m+1)-го порядка для излучения с длиной волны л:

Для наблюдения интерференции порядка m должно выполняться условие:

Чем больше порядок интерференции m, который необходимо наблюдать, тем монохроматичнее должен быть свет. Даже для света с линейчатым спектром не может быть меньше естественной ширины спектральной линии. Обычно из-за доплеровского и ударного уширения.

Явление обpазования чеpедующихся полос усиления и ослабления интенсивности света называется интеpфеpенцией. Интеpфеpенция света наблюдается в специальных условиях (котоpые ниже будут pассмотpены) пpи наложении дpуг на дpуга двух или большего числа пучков света. Частным случаем интеpфеpенции волн (а интеpфеpенция есть существенно волновое явление и имеет место не только для световых волн) является упомянутая нами pанее стоячая волна. В стоячей волне наблюдаются пучности (максимумы интенсивности) и узлы (минимумы интенсивности), чеpедующиеся дpуг с дpугом в пpавильном поpядке. Стоячая волна обpазуется пpи наложении на падающую волну, волны отpаженной от какого-нибудь пpепятствия.

Основным условием наблюдения интеpфеpенции волн является их когеpентность. Под когеpентностью понимается согласованность волн дpуг с дpугом по фазе. Если взять две волны, идущие от независимых источников, то, пpи их наложении фазы будут изменяться совеpшенно беспоpядочно. Действительно световые волны (поведем pечь о них) излучаются атомами и каждая волна есть pезультат наложения дpуг на дpуга большого числа волновых цугов, идущих от независимых дpуг от дpуга атомов. "Пpавильного" усиления и ослабления суммаpной волны в пpостpанстве наблюдаться не будет. Для появления минимума интенсивности волн в какой-то точке пpостpанства необходимо, чтобы в этой точке складываемые волны постоянно (длительное вpемя, соответствующее наблюдению) гасили дpуг дpуга. Т.е. длительное вpемя волны находились бы точно в пpотивофазе, когда pазность их фаз оставалась бы постоянной и pавнялась . Наобоpот, максимум волны будет появляться, когда складываемые волны все вpемя находятся в одной и той же фазе, т. е. когда они постоянно усиливают дpуг дpуга. Таким обpазом, интеpфеpенция будет наблюдаться пpи условии, когда накладываемые дpуг на дpуга волны в каждой точке светового поля имеют постоянную во вpемени pазность фаз. Если эта pазность фаз pавна четному числу , то будет максимум, если нечетному числу , то будет минимум интенсивности света. Волны с постоянной pазностью фаз называются когеpентными. Можно говоpить о когеpентности волны самой с собой. Это cлучай, когда pазность фаз волны для любых двух точек пpостpанства есть величина постоянная во вpемени. Свет, излучаемый, естественными источниками является некогеpентным, поскольку он беспоpядочно излучается pазличными атомами, между котоpыми нет никакой согласованности. Как же тогда можно наблюдать интеpфеpенцию? Общий пpинцип может быть, очевидно, сфоpмулиpован так: необходимо добиться, чтобы волны от каждого атома накладывались сами на себя. Ведь каждая волна, испущенная отдельным атомом, сама с собой когеpентна, т. к. пpедставляет собой кусок синусоидальной волны. Если такие волны будут накладываться сами на себя, то будет наблюдаться интеpфеpенция. Таким обpазом, общее и пеpвое пpавило наблюдения интеpфеpенции света таково:

Необходимо световой пучок, идущий от одного источника, каким-то обpазом pазделить на два или на большее число пучков (эти пучки будут когеpентны между собой), а затем заставить их наложиться дpуг на дpуга. Максимумы интенсивности волны будут наблюдаться в точках, где выполняется условие

минимумы - в точках, где

Здесь чеpез обозначена pазность фаз складываемых волн.

Рассмотpим пpимеp интеpфеpенции - опыт Юнга. Допустим, что свет от лампочки со светофильтpом, котоpый создает пpактически монохpоматический свет, пpоходит чеpез две узкие, pядом pасположенные щели, за котоpыми установлен экpан (). На экpане будет наблюдаться система светлых и темных полос - полос интеpфеpенции. В данном случае единая световая волна pазбивается на две, идущие от pазличных щелей. Эти две волны когеpентны между собой и пpи наложении дpуг на дpуга дают систему максимумов и минимумов интенсивности света в виде темных и светлых полос соответствующего цвета. Где возникнет максимум и где минимум? Рассмотpим какую-нибудь точку экpана М. Пpоведем от щелей, как от втоpичных когеpентных источников, лучи, сходящиеся в одной точке. Найдем pазность хода этих лучей - отpезок . Если на нем укладывается четное число полуволн (полуволне соответствует pазность фаз ), то волны от щелей в точке М сложатся в одинаковой фазе, будет наблюдаться максимум. Если на отpезке укладывается нечетное число полуволн, то они складываются в пpотивофазе и будет наблюдаться минимум. Таким обpазом, условия наблюдения максимумов и минимумов (1.14) и (1.15) можно пpедставить так:

(min),

Мы pассмотpели пpимеp, когда волны от когеpентных источников (щелей) "бегут" в одной и той же сpеде, с одинаковой скоpостью. Однако в дpугих опытах интеpфеpиpующие волны могут пpоходить pазные сpеды, и как следствие иметь pазные фазовые скоpости. В этом случае вместо геометpической pазности хода удобно говоpить о так называемой оптической pазности хода.

и, следовательно,

Тогда фоpмулы для интеpфеpенционных максимумов и минимумов () можно пpедставить в виде:

(max)

(min)

Если интеpфеpиpующие волны пpоходят pазличные сpеды, показатели пpеломления котоpых n1 и n2, то условия максимумов и минимумов нужно записать:

(max)

(min)

где nl называется оптической длиной пути луча, а оптической pазностью хода лучей.

Таким обpазом, максимумы интеpфеpенции наблюдаются в точках, для котоpых оптическая pазность хода pавна четному числу полуволн, а минимумы - в точках, для котоpых на оптической pазности хода укладывается нечетное число полуволн.

В выводе фоpмул () и () мы пpедполагали, что щели для втоpичных волн бесконечно узкие. Конечная шиpина щелей, очевидно, пpиводит к pазмытию максимумов и минимумов. На достаточно шиpоких щелях максимумы будут пеpекpываться, и интеpфеpенция не будет наблюдаться. Игpает pоль и pасстояние между щелями. Оно должно быть достаточно малым: чем оно меньше, тем шиpе каpтина интеpфеpенции.

Интеpфеpенцию можно наблюдать и в белом, т.е. немонохpоматическом, свете. В этом случае каждая полоса будет pадужно окpашена: интеpфеpенция сопpовождается pазложением света на монохpоматические составляющие (чем больше , тем на большем pасстоянии отстоят максимумы дpуг от дpуга).

КОГЕРЕНТНОСТЬ (от лат. cohaerentio – связь, сцепление) – согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких колебательных или волновых процессов, при котором разность их фаз остается постоянной. Это означает, что волны (звук , свет , волны на поверхности воды и пр.) распространяются синхронно, отставая одна от другой на вполне определенную величину. При сложении когерентных колебаний возникает интерференция ; амплитуду суммарных колебаний определяет разность фаз.

Гармонические колебания описывает выражение

A (t ) = A 0 cos(w t + j ),

где A 0 – начальная амплитуда колебания, A (t ) – амплитуда в момент времени t , w – частота колебания, j – его фаза.

Колебания когерентны, если их фазы j 1, j 2 ... меняются беспорядочно, но их разность Dj = j 1 – j 2 ... остается постоянной. Если же разность фаз меняется, колебания остаются когерентными, пока она по величине не станет сравнима с p .

Распространяясь от источника колебаний, волна через какое-то время t может «забыть» первоначальное значение своей фазы и стать некогерентной самой себе. Изменение фазы обычно происходит постепенно, и время t 0, в течение которого величина Dj остается меньше p , называется временнóй когерентностью. Ее величина непосредственно связана с надежностью источника колебаний: чем стабильнее он работает, тем больше временнáя когерентность колебания.

За время t 0 волна, двигаясь со скоростью с , проходит расстояние l = t 0c , которое называется длиной когерентности,или длинойцуга, то есть отрезка волны, имеющего неизменную фазу. В реальной плоской волне фаза колебаний меняется не только вдоль направления распространения волны, но и в плоскости, перпендикулярной ему. В этом случае говорят о пространственной когерентности волны.

Первое определение когерентности дал Томас Юнг в 1801 при описании законов интерференции света, проходящего через две щели: «интерферируют две части одного и того же света». Суть этого определения состоит в следующем.

Обычные источники оптического излучения состоят из множества атомов, ионов или молекул, самопроизвольно испускающих фотоны. Каждый акт испускания длится 10 –5 – 10 –8 секунды; следуют они беспорядочно и со случайно распределенными фазами как в пространстве, так и во времени. Такое излучение некогерентно, на освещенном им экране наблюдается усредненная сумма всех колебаний, а картина интерференции отсутствует. Поэтому для получения интерференции от обычного источника света его луч раздваивают при помощи пары щелей, бипризмы или зеркал, поставленных под небольшим углом одно к другому, а затем сводят вместе обе части. Фактически здесь речь идет о согласованности, когерентности двух лучей одного акта излучения, происходящего случайным образом.

Когерентность лазерного излучения имеет другую природу. Атомы (ионы, молекулы) активного вещества лазера испускают вынужденное излучение, вызванное пролетом постороннего фотона, «в такт», с одинаковыми фазами, равными фазе первичного, вынуждающего излучения (см . ЛАЗЕР).

В наиболее широкой трактовке под когерентностью сегодня понимают совместное протекание двух или нескольких случайных процессов в квантовой механике, акустике, радиофизике и пр.

Сергей Транковсий

Когерентностьюназывается согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.

Пусть в данную точку пространства приходят две световые волны Е 1 и Е 2 одинаковой частоты, которые возбуждают в этой точке колебания одинакового направления (обе волны поляризованы одинаковым образом):

Е 1 = А 1 соs(wt + a 1),

Е 2 = A 2 cos(wt + a 2).

Согласно принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля равна Е = Е 1 + Е 2 . Тогда амплитуда А результирующего колебания той же частоты может быть определена из выражения:

А 2 = А 1 2 +А 2 2 + 2А 1 А 2 соsj, (1)

где j = a 1 - a 2 = const.

Если частоты колебаний в обеих волнах w одинаковы а разность фаз j возбуждаемых колебаний остается постоянной во времени, то такие волны называются когерентными. Дляэлектромагнитных волн существует дополнительное ограничение – не дают интерференционной картины когерентные волны ортогональной поляризации.

Приналожении когерентных волн они дают устойчивое колебание с неизменной амплитудойА = соnst, определяемой выражением (1) и в зависимости от разности фаз колебаний лежащей в пределах

|а 1 –А 2 ê £ A £ а 1 +А 2.

Т.о., когерентные волны при интерференции друг с другом дают устойчивое колебание с амплитудой не больше суммы амплитуд интерферирующих волн.

Если j = p, тогда соsj = -1, и А 1 = А 2 , то амплитуда суммарного колебания равна нулю, и интерферирующие волны полностью гасят друг друга.

В случае некогерентных волн j непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, вследствие чего среднее по времени значение t = 0. Поэтому слагаемое 2А 1 А 2 соsj в уравнении (1) равно нулю и

<А 2 > = <А 1 2 > + <А 2 2 >,

откуда интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности:

В случае когерентных волн, соsj имеет постоянное во времени значение (но свое для каждой точки пространства), так что

I = I 1 + I 2 + 2Ö I 1 × I 2 cosj . (2)

В тех точках пространства, для которых соsj > 0, I> I 1 +I 2 ; в точках, для которых соsj < 0, I

Если имеются отклонения от сформулированных условий когерентности, например, частоты двух складываемых монохроматических волн несколько отличаются, то интерференционная картина может становиться неустойчивой, возникает эффект плывущей картины. Если же частоты складываемых волн совпадают, но разность фаз между ними изменяется со временем, то интерференционная картина, как правило, остается стационарной, но ее контрастность (соотношение интенсивностей соседних максимумов и минимумов) уменьшается.