Когерентность световых волн

Что такое когерентность волн

Когерентность также является свойством, которое позволяет волнам иметь стационарную интерференцию. Кроме того, степень когерентности обычно измеряется интерференционной видимостью. Например, две параллельные щели, освещенные лазерным лучом, могут быть классифицированы как два когерентных точечных источника.

Когерентность волн используется в оптике, голографии и квантовой механике.

Виды

Источник: voluntary.ru

Пространственная

Пространственная когерентность говорит нам о том, насколько однородна фаза волнового фронта. Она описывает корреляцию между сигналами в разных точках пространства. Она означает сильную корреляцию (фиксированное фазовое соотношение) между электрическими полями в разных точках, можно сказать, что это перекрестная связь между двумя точками в волне в любое время.

Несколько примеров пространственной когерентности:

1. Эксперимент Юнга с двойным свечением: когда пучок когерентного света проходит через две близко расположенные щели, на экране образуется интерференционная картина. Эта картина является результатом пространственной когерентности падающего света, поскольку волны от двух щелей сохраняют фиксированное фазовое соотношение и интерферируют конструктивно или деструктивно, создавая картину.
2. Дифракционные решетки — это оптические устройства с периодическим расположением щелей или линий. Когда когерентный свет проходит через дифракционную решетку, он создает серию ярких и темных пятен, называемых дифракционными порядками. Пространственная когерентность падающего света позволяет сформировать эти четкие и хорошо разделенные порядки.
3. Интерферометры — это приборы, использующие интерференцию волн для проведения точных измерений. Примерами являются интерферометры Майкельсона, Маха-Цендера и Фабри-Перо. Эти приборы используют пространственно-когерентные волны для создания интерференционных полос, которые могут быть использованы для измерения длины, смещения или коэффициента преломления.
4. Голография — это метод записи и восстановления трехмерной информации объекта с помощью когерентного света. Пространственная когерентность очень важна для голографии, поскольку она обеспечивает интерференцию между опорным лучом и рассеянным светом от объекта. Эта интерференционная картина фиксируется на голографической пластине или датчике и впоследствии может быть восстановлена для создания реалистичного трехмерного изображения объекта.

Временная

Временная когерентность говорит нам о том, насколько монохроматичен источник — источник света, который излучает свет только одной длины волны или цвета. Другими словами, он излучает свет определенной частоты или узкого диапазона частот. Временная когерентность означает сильную корреляцию между электрическими полями в одном месте, но в разное время.

Несколько примеров временной согласованности:

1. Лазерный свет известен своей высокой временной когерентностью. Свет, излучаемый лазером, состоит из волн с четко определенными и стабильными фазовыми соотношениями. Эта когерентность позволяет лазерному свету создавать интерференционные картины, что делает его полезным в таких приложениях, как голография, интерферометрия и оптическая связь.
2. Эксперимент Юнга с двойной щелью: в данном эксперименте луч света проходит через две близко расположенные щели, создавая интерференционную картину на экране. Для образования такой картины необходимо, чтобы падающий свет имел высокую временную когерентность. Если когерентность низкая, интерференционная картина становится менее отчетливой и исчезает.
3. Когерентная оптическая визуализация: в когерентных оптических методах визуализации, таких как оптическая когерентная томография (ОКТ), временная когерентность очень важна. В ОКТ используется интерферометрия для получения изображений биологических тканей с высоким разрешением. Когерентность источника света обеспечивает конструктивную интерференцию отражений от различных глубин образца, что позволяет получить точное изображение глубины.
4. Радиоволны и связь: в беспроводной связи поддержание временной когерентности имеет решающее значение для надежной передачи и приема сигнала. Когерентность позволяет приемнику точно обнаруживать и демодулировать передаваемый сигнал, несмотря на шумы и помехи.

Источники

Два независимых источника никогда не бывают когерентными, или их нельзя считать когерентными источниками, так как все вышеупомянутые факторы не могут присутствовать одновременно.

Ниже приведены некоторые распространенные примеры когерентных источников:

1. Звуковые волны, производимые динамиками, управляются электрическими сигналами, которые имеют одинаковую частоту и определенную фазу.
2. Лазер также является одним из типов когерентных источников. Они применяются, поскольку в них используется явление, называемое стимулированным излучением, для генерации высококогерентного света.
3. Небольшие источники света хотя бы частично когерентны. Благодаря этому мы можем наблюдать интерференционные узоры на мыльных пузырях и оценивать радужные переливы крыльев бабочек.
4. В то время как солнечный свет некогерентен, а небольшие порции на небольших участках, как правило, частично когерентны.

Условия когерентности волн

Для того чтобы волны проявляли это свойство, необходимо выполнение определенных условий:

1. Постоянное фазовое соотношение друг с другом. Это означает, что пики и впадины волн последовательно выравниваются во времени. Другими словами, разница фаз между волнами остается постоянной.
2. Постоянная частота или длина волны. Это гарантирует, что волны колеблются синхронно, что позволяет формировать конструктивные и деструктивные интерференционные картины.
3. Узкая полоса пропускания: то есть они состоят из небольшого диапазона частот или длин волн. Этот узкий диапазон гарантирует, что волны имеют четко определенную и последовательную связь друг с другом.
4. Стабильный и непрерывный источник в течение определенного периода времени. Любые колебания или перебои в источнике могут нарушить когерентность волн.

Как можно изменить длину когерентности световых волн

Изменение длины когерентности может быть достигнуто различными методами:

1. Расширить спектр: длина когерентности волны обратно пропорциональна ширине ее спектра. Более широкий спектр приводит к уменьшению длины когерентности. Внося в световую волну дополнительные частотные компоненты, например, используя источник света с более широким спектром или дисперсионную среду, можно уменьшить длину когерентности.
2. Использовать более короткую длину волны: длина когерентности также обратно пропорциональна длине волны света. Световые волны с меньшей длиной имеют меньшую длину когерентности. При использовании света с меньшей длиной волны, например, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, длина когерентности может быть уменьшена.
3. Рассеяние или поглощение света может повлиять на длину когерентности. Эти процессы вызывают случайные изменения фазы. Если ввести рассеивающие или поглощающие материалы, длина когерентности может уменьшиться, поскольку волна взаимодействует со средой.
4. Интерферометры применяются для манипулирования длиной когерентности световых волн. Регулируя разницу в длине пути между интерферирующими волнами, можно изменять видимость интерференционных полос. Например, в интерферометре Майкельсона регулировка положения подвижного зеркала может изменить длину когерентности, наблюдаемую в интерференционной картине.
5. Оптические фильтры иногда нужны для избирательного пропускания или блокирования определенных длин волн или частотных компонентов света. С помощью фильтров можно изменять спектральное содержание света, что, в свою очередь, влияет на длину когерентности. Например, использование полосового фильтра может сузить спектр и увеличить длину когерентности.

Роль когерентности волн при интерференции

Интерференция — это явление, основанное на сохранении энергии, т.е. энергия в ней не создается и не теряется.

1. Конструктивная интерференция.
   Когда обе волны передаются в одинаковой фазе и накладываются друг на друга, достигается максимальное значение интенсивности. Это называется конструктивной интерференцией. В случае интерференции в точках, в которых значение интенсивности максимально, явление интерференции, возникающее в этих точках, называется конструктивной интерференцией.
2. Деструктивная интерференция.
   Когда две волны движутся вместе в одном направлении, и если они встречаются в противоположных фазах в любой точке, результирующая интенсивность в этой точке минимальна или равна нулю.