Основные особенности лазерного излучения

1.2.1. Когерентность

Излучение в световом диапазоне (оптическое излучение), которое получают от любых нелазерных источников, определяется процессами спонтанного испускания и потому является некогерентным. Это принципиально отличает такие источники от генераторов электромагнитных волн радиодиапазона и существенно снижает возможности использования их излучения для научных и технических применений.

Когерентность - это одновременное протекание нескольких колебательных (волновых) процессов, которое согласовано во времени и в пространстве. Колебания называют когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени или изменяется по определенному закону.

В настоящее время термин “когерентность” употребляется в самых различных областях физики и имеет более широкий смысл. Если же говорить о когерентности света, то это понятие возникло еще в классической оптике. Оно указывало на возможность получения интерференционной картины при наложении различных световых пучков.

До появления лазеров когерентные (в указанном выше смысле) световые пучки можно было получить лишь путем разделения лучей, исходящих из одного и того же источника. Амплитуда, частота и фаза нелазерных источников све та подвержены случайным изменениям во времени. Тем не менее при соблюдении некоторых условий можно обеспечить сохранение постоянства разности фаз между лучами, относящимися к различным пучкам, исходящим из такого источника, в любой момент времени. Эти пучки (колебания) можно рассматривать как когерентные, если, не смотря на случайный (беспорядочный) характер изменений во времени фаз колебанийиих разностьв процессе этих изменений остается постоянной. Именно эта разность определяет амплитуду суммарного колебания и, следовательно, возможность получения интерференционной картины.

В тоже время четкость получаемой при сложении пучков интерференционной картины может быть далеко не одинаковой. Она зависит от взаимной характеристики пучков, называемой степенью их когерентности. Даже у лазеров, являющихся в принципе источниками когерентного света, степень когерентности их излучения может оказаться весьма далекой от полной.

Для количественного выражения степени когерентности излучения служит функция корреляции. Простейшее представление о ней можно получить на следующем примере. Рассмотрим два колебания (две волны), полученные от одного и того же источника. Пусть одно из них задержано относительно другого на время t. Обозначим амплитуды колебаний черезиа амплитуду суммарного колебания - черезЧастота колебания, выходящего из реального источника, подвержена случайным изменениям и флуктуирует около некоторого среднего значенияЗависимость амплитуды суммарного колебания от степени когерентности суммируемых колебаний можно выразить с помощью функции корреляцииЭто выражение имеет следующий вид:

(1.2.1.1)

Если t ® 0, то R (t) ® 1 иС ростом t величина R (t) уменьшается и при t ® ¥ стремится к нулю. Если при t = 0 складываются амплитуды колебаний (случай полной когерентности колебаний), то при t ® ¥ в соответствии с (1.2.1) т.е. происходит суммирование их интенсивностей (случай полной некогерентности).

Значение t = при котором = 0,5, называют временем когерентности. Если обозначить скорость волны через c, то расстояние:

(1.2.1.2)

на которое распространится волна за время когерентности, называют длиной когерентности. Этим понятиям можно дать такую, достаточно наглядную качественную физическую интерпретацию. В течение времени когерентности источник испускает цуг гармонических колебаний. По истечении этого времени (его следует понимать как статистически среднюю величину) цуг обрывается и источник начинает излучать новый цуг колебаний той же частоты, но с начальной фазой колебаний, которая отличается от фазы, которую имел предыдущий цуг в момент обрыва. Иначе говоря, - это некоторый статистически средний интервал времени, через который происходят случайные скачки фазы колебаний.

Аналогичным образом для характеристики пространственной когерентности вводятся понятия радиуса, площади и объема когерентности. Так, например, радиус когерентности можно определить, используя

функцию корреляции R (r), где r - расстояние в плоскости, перпендикулярной лучу, характеризующему направление распространения колебаний. Величину радиуса когерентности в этом случае определяет равенство

Таким образом, до появления лазеров рассматривать оптические поля как взаимно когерентные можно было лишь в том случае, если они исходили от одного и того же источника. Поля, создаваемые различными (независимыми) источниками излучения, были всегда некогерентными. Рассматривать взаимную когерентность разных источников стало возможным лишь с появлением лазеров.

Заметим, что наблюдать интерференцию полей от независимых нелазерных источников все же можно, но для этого они должны обладать достаточно узкими спектральными линиями. В этом случае можно наблюдать лишь нестационарную интерференцию, т.е. ее можно зарегистрировать лишь на протяжении достаточно короткого интервала времени. Пусть, например, имеются два независимых источника излучения с узкими спектральными линиями и со средними частотами и При этом большая из ширин спектральных линий равна Dw. В этом случае интерференционную картину можно наблюдать лишь в течении времени D t <Затем интерференционная картина полностью “замывается”.

Вопросы когерентности оптического излучения детально рассматриваются в другом спецкурсе, читаемом студентам кафедры оптики и спектроскопии.