Время и длина когерентности. Когерентность волн реальных источников

В общем случае, когерентностью называют согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Степень согласованности процессов может быть различной – пространственной и временной.

Строго монохроматические волны одинаковой частоты всегда когерентны. Однако интерференционные явления от двух независимых источников света (например, лампочек) недоступны для наблюдения невооруженным глазом. Более того, даже если имеются две очень узкие спектральные линии, излучаемые разными источниками, то глаз не фиксирует интерференционную картину. Это указывает на тот факт, что излучение реальных источников света никогда не бывает строго монохроматическим.

Продолжительность процесса излучения света атомом τ ~ 10^-8 с. Такое прерывистое излуче­ние характерно для любого источника света независимо от его природы. За это время атом испускает цуг волн (участок электромагнитной волны) ~ 3 м. Окончив излучение, атом через некоторое время опять излучает, однако фаза нового цуга никак не связана с фазой предыдущего цуга. За этот промежуток времени возбужденный атом, растратив свою избыточную энергию на излучение, возвращается в нормальное (невозбужденное) состояние аизлучение им света прекра­щается. Затем спустя некоторый промежуток времени атом может вновь возбудиться и начать излучать свет. Атомы светящегося тела излучают свет независимо друг от друга. Следовательно, начальные фазы соответствующих им цугов волн никак не связаны между собой. Для одного и того же атома значения начальных фаз разных цугов хаотически изменяются от одного акта излучения этого атома к другому. Таким образом, свет, испускаемый любым макроскопическим источником, не монохроматичен, так как состоит из множества быстро сменяющих друг друга волн, начальные фазы которых изменяются совершенно хаотично. Кроме того, значения циклических частот ωдля этих цугов также могут быть различными.

В реальной световой волне присутствуют колебания различных частот или длин волн, заключенных в более или менее узком, но конечном интервале. Даже отдельные линии в спектре атома имеют конечную «естественную» ширину порядка 10⁷ Гц ( ~ 10^-5 нм). Кроме того, амплитуды и начальные фазы испускаемых атомами или молекулами волн испытывают непрерывные случайные изменения. Поэтому для характеристики когерентных свойств реальных волн вводится время когерентности t _к, под которым понимают промежуток времени, за который случайное изменение фазы волны достигает значения, равного p. В результате волна как бы «забывает» свою первоначальную фазу и становится некогерентной по отношению к самой себе. Любой оптический прибор, с помощью которого регистрируется результат наложения волн, обладает определенной инерционностью, которая характеризуется временем срабатывания прибора t _пр. Для глаза, например, t _пр ~ 0.1 с. Поэтому интерференционная картина будет наблюдаться только в том случае, если время срабатывания прибора меньше времени когерентности. Условие временной когерентности имеет вид

t _пр < t_к. (2.2.1)

Расстояние, на которое распространяется волна в вакууме за время когерентности t_к, называется длиной когерентности

. (2.2.2)

Когерентные световые, волны можно получить, разделив волну, излучаемую одним источником, на две части. Для получения интерференционной картины в этом случае необходимо, чтобы оптическая разность хода была меньше, чем длина когерентности

. (2.2.3)

Разность оптических длин путей, проходимых интерферирующими волнами, не должна быть очень большой, так как складывающиеся колебания должны принадлежать одному и тому же результирующему цугу волн.

При использовании обычных источников для создания когерентных волн осуществляется искусственное разделение пучка света на два пучка, которые в силу общности происхождения оказываются когерентными. Выполнение временной когерентности происходит при соответствующем выборе регистрирующего прибора.

Результат интерференции полученных волн при их наложении зависит от разности фаз Dj, которая возникает при прохождении этих пучков света до рассматриваемой точки интерференционной картины. Следует отметить, что в силу ограниченности промежутка времени излучения каждого цуга (10^-8 с) наблюдать явление интерференции можно при не слишком больших значениях Dj и соответствующих им разностях хода волн. Это требование ограничивает число видимых интерференционных полос.

Дата добавления: 2015-06-04