1,16 Mb. страница6/10Беспалова В.ГДата конвертации28.09.2011Размер1,16 Mb.Тип Смотрите также: 6 ^ Когерентный и некогерентный свет С.А.КозловВведение. Можно уверенно прогнозировать, что в XXI веке из областей физических знаний, которые в наибольшей степени будут определять появление и развитие прогрессивных технологий, особо выделится оптика. Поэтому нынешнему школьнику, который завтра сам станет творцом таких технологий или, по крайней мере, потребителем продукции, созданной на их основе, полезно знать многое о природе света и его важнейших свойствах. В настоящей статье мы обсудим когерентность оптического излучения. ^ Временная когерентность света. С позиций классической физики свет - это волны электромагнитной природы. Простейшим объектом анализа теории волн является плоская монохроматическая волна вида (1) где z - координата декартовой оси, вдоль которой распространяется волна, t - время, k - волновое число, ЂЂЂ - частота волны, E0 - ее амплитуда. В оптике при анализе распространения световых волн в качестве поля E в (1) обычно рассматривают напряженность электрического поля излучения. В любой точке пространства колебания величины поля E, в соответствии с (1), являются гармоническими. Дадим этому факту трактовку, которая позволит ввести понятие когерентности световой волны. Проведем следующий мысленный эксперимент: пронаблюдаем за колебаниями E в произвольно выбранной точке пространства с координатой z0, начиная с некоторого момента t0. Это гармонические колебания с начальной фазой (см. рис. 1а). Прервемся на некоторое время от эксперимента. После промежутка времени ЂЂЂ, отсчитанного от момента t0, вновь приступим к наблюдению колебаний в той же точке пространства. Разумеется, эти колебания по-прежнему будут гармоническими с тем же периодом . Изменится, как продемонстрировано на рис. 1б, лишь начальная фаза колебаний Колебания, наблюдавшиеся нами в точке z0 в окрестности времени t0 и в окрестности времени t0+ЂЂЂ согласованны. Они характеризуются неизменной с течением времени разностью фаз Колебания, удовлетворяющие такому условию, называют когерентными. Для монохроматической волны (1) приведенные выводы о согласованности колебаний в произвольно выбранной точке пространства в окрестности времен, разделенных временным промежутком ЂЂЂ, справедливы, разумеется, и для случая сколь угодно большого ЂЂЂ. Поэтому говорят, что волна (1) характеризуется полной временной когерентностью. Физически реализуемое оптическое излучение - объект более сложный, чем волна (1), которая описывает абстрактный бесконечный в пространстве и времени процесс. В реальных световых волнах согласованность колебаний в точках пространства, через которые проходит излучение, сохраняется лишь некоторое не бесконечное время ЂЂЂког. При этом говорят, что волна характеризуется частичной временной когерентностью. Параметр ЂЂЂког, численно описывающий это свойство излучения, называется временем когерентности. Природа частичной когерентности света. Чтобы выяснить, чем определяется ЂЂЂког, обратимся к фундаментальной проблеме возникновения оптического излучения. С точки зрения классической физики излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Свечение тел объясняется испусканием света атомами или молекулами вещества, поскольку последние могут быть промоделированы как системы ускоренно движущихся друг относительно друга положительных и отрицательных зарядов. Движение зарядов предполагается колебательным. В его процессе энергия атома переходит в энергию излучения, поэтому колебания являются затухающими, и поле сферической волны, испускаемой отдельным атомом, имеет вид волнового цуга ,(2) иллюстрированного на рис. 2а. В выражении (2) ^ Е - световое поле вблизи атома, Е0 и ЂЂЂ0 - амплитуда и начальная фаза колебаний поля, ЂЂЂц - длительность цуга. Параметры ЂЂЂ и ЂЂЂц волнового цуга или, как его еще называют, волнового пакета определяются типом атома. Каждому сорту атомов соответствует индивидуальный набор частот, с которыми эти атомы могут излучать. Феномен, заключающийся в том, что атом может испускать излучение не любой частоты, а лишь некоторой из дискретного и фиксированного для него набора в рамках классической физики не объясняется (его осмысление привело в начале прошлого века к развитию квантовых концепций). Длительность ЂЂЂц цуга кроме того, что определяется типом атома, может существенно зависеть и от взаимодействия излучающего атома с окружающими его атомами и молекулами. Характерная оценка величины ЂЂЂц, справедливая для атомов, например, газа в газоразрядных лампах, имеет порядок с. Т.е. в волновом цуге излучения видимого диапазона содержится очень большое - порядка - число периодов колебаний светового поля. На рис. 2а эти пропорции для наглядности и компактного представления временной структуры волнового цуга не соблюдены. Максимальная амплитуда волнового пакета E0 с классической точки зрения может быть любой и определяется начальным возбуждением атома. За счет внешнего источника атом или молекула после испускания волнового пакета может получить новую порцию энергии. Например, в вышеупомянутых газоразрядных лампах такое возбуждение атомов возникает при их столкновениях с электронами разряда. Приобретенная порция энергии вновь высветится в виде излучения. На рис.2б представлены два волновых цуга, последовательно высветившихся одним атомом.
Когерентный и некогерентный свет - Оптоинформатика
Комментариев нет:
Отправить комментарий