Когерентность волн

Содержание:

Преподаватель физики

В этой статье мы расскажем, что означает понятие когерентности, определим ее основные виды (временная и пространственная), а также решим несколько задач, связанных с оценкой когерентности. Начнем с базового определения.

Определение 1

При наблюдении интерференции волн одним из важнейших условий является их когерентность. О наличии когерентности говорят тогда, когда имеет место согласованность протекания волновых или колебательных процессов во времени и пространстве.

Когерентность характеризуется такой чертой, как степень (иначе ее можно назвать степенью согласованности вышеуказанных процессов). Различают два основных типа данного явления – временную и пространственную когерентность.

Что такое временная когерентность

Данный тип когерентности характеризуется длиной и продолжительностью. Она возникает тогда, когда мы имеем дело с немонохромным точечным источником света. Примером могут быть полосы, наблюдаемые при интерференции в специальном приборе – интерферометре Майкельсона: чем выше оптическая разность, тем менее четкими становятся полосы (вплоть до полного исчезновения). Основная причина временной когерентности света лежит в длине источника и конечном времени свечения.

Рассматривать когерентность можно с точки зрения двух подходов. Первый принято называть фазовым, а второй частотным. Фазовый подход заключается в том, что частоты формул, описывающих колебательные процессы в определенной точке пространства, возбуждаемые двумя накладывающимися волнами, будут постоянными и равными друг другу $(ω_{1} = ω_{2})$ .

Важно, что $δ (t) = α_{2} (t) - α_{1} (t)$ . Здесь выражение $2 \sqrt{I_{1} I_{2}} \cos δ (t)$ – это так называемый интерференционный член.

Если мы измеряем процесс интерференции каким-либо прибором, необходимо учитывать, что он в любом случае будет иметь время инерции. Время срабатывания прибора можно обозначить как $t_{i}$ . Тогда если за время, равное $t_{i}$ , $\cos δ (t)$ будет принимать значения в интервале от минус единицы до плюс единицы, то $<2 \sqrt{I_{1} I_{2}} \cos δ (t)> = 0$ .

В таком случае исследуемые волны когерентными не являются. Если же за указанное время величина $\cos δ (t)$ сохраняется практически неизменной, то интерференция становится очевидной, и у нас получаются когерентные волны.

Из всего этого можно сделать вывод об относительности понятия когерентности. При малой инерционности прибора интерференция, как правило, обнаруживается, а если прибор обладает большим временем инерции, то нужную картину мы можем просто не увидеть.

Определение 2

Время когерентности, обозначаемое как $t_{k o g}$ – это такое время, за которое происходит случайное изменение фазы волны $a (t)$ , примерно равное $π$ .

Если $t_{i} ≪ t_{k o g}$ , то в приборе становится видно четную интерференционную картину.

Определение 3

Длина когерентности – это определенное расстояние, при перемещении по которому фаза претерпевает случайное изменение, примерно равное $π$ .

Если мы делим естественную световую волну на две части, то для того, чтобы увидеть интерференцию, нужно сохранить оптическую разность хода меньше, чем $l_{k o g}$ .

Время когерентности имеет зависимость от интервала частот, а также от длины волн, представленных в общей световой волне.

Временная когерентность связана с разбросом величин модуля волнового числа $(\vec{k})$ .

Что такое пространственная когерентность

Если мы имеем дело с монохроматическим протяженным, а не точечным источником света, то здесь вводится понятие пространственной когерентности. Она имеет такие характеристики, как ширина, радиус и угол.

Пространственная когерентность зависит от вариативности направлений вектора $\vec{k}$ . Направления данного вектора могут быть охарактеризованы с помощью единичного вектора $\vec{e_{k}}$ .

Длина пространственной когерентности, или радиус когерентности, – это расстояние $ρ_{k o g}$ .

Буквой $φ$ обозначен угловой размер источника световой волны.

Замечание 1

Если волна света располагается вблизи нагретого тела, то ее пространственная когерентность составляет всего несколько длин волн. Чем больше расстояние от источника света, тем выше степень пространственной когерентности.

Пример 1

Условие: допустим, что угловой размер Солнца равен $0, 01 р а д$ . Оно испускает волны света, равные $500 н м$ . Вычислите радиус когерентности данных волн.

Решение

Чтобы оценить радиус когерентности, воспользуемся формулой $ρ_{k o g} ~ \frac{λ}{φ}$ . Вычисляем:

$ρ_{k o g} ~ \frac{500 \cdot 10^{- 9}}{0, 01} = 5 \cdot 10^{- 5} (м)$ .

Интерференция солнечных лучей не может быть видна невооруженным взглядом, поскольку радиус ее когерентности очень мал и находится вне разрешающей способности человеческого глаза.

Ответ: $ρ_{k o g} ~ 50 м к м$ .

Пример 2

Условие: если два не связанных между собой источника света испускают волны, почему данные волны не будут когерентными?

Решение

Чтобы дать объяснение этому явлению, обратимся к механизму возникновения излучения на атомном уровне. Если источники света независимы, то атомы в них испускают световые волны также независимо. Продолжительность излучения каждого атома равна примерно $10^{- 8} c е к$ , после чего атом возвращается в обычное состояние, и излучение волны прекращается. Возбужденный атом будет испускать свет с изначально другой фазой, значит, разности фаз излучений двух подобных атомов будут переменными. Следовательно, волны, спонтанно испускающие свет, не являются когерентными. Данная модель будет справедливой для любых источников света с конечными размерами.

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.