- Просторова і тимчасова когерентність
- Вимірювання ступеня когерентності
- Важливість когерентності у вирішенні практичних завдань
- Когерентність в квантовій оптиці
Розділ підготовлений Юлією Майкова
Визначення: когерентність - фіксоване фазовий співвідношення між значеннями величини електричного поля в різних точках простору або в різний час.
Когерентність є одним з найважливіших понять оптики і означає здатність світла проявляти інтерференційні ефекти. Світло називається когерентним, коли є фіксований зв'язок фаз між напруженістю електромагнітного поля в різних точках простору або в різний час.
Часткова когерентність означає, що є деякі (хоча і не ідеальні) кореляції між значеннями фаз. Існують різні способи кількісної оцінки ступеня когерентності, як описано нижче.
Крім того, прийнято називати певні процеси чи методи когерентними або некогерентного. В такому випадку, «когерентний» по суті означає "фазо-чутливий". Наприклад, метод когерентного комбінування лазерного випромінювання грунтується на взаємній когерентності променів.
Просторова і тимчасова когерентність
• Просторова когерентність означає сильну кореляцію (фіксований зв'язок фаз) між електричними полями в різних місцях по всьому профілю пучка. Наприклад, в перерізі пучка з лазерним дифракційним якістю, електричне поле в різних місцях коливається фіксованим чином, навіть якщо тимчасова структура ускладнюється накладенням різних частотних складових. Для просторової когерентності необхідною умовою є точна спрямованість лазерного променя.
• Тимчасова когерентність означає сильну кореляцію між електричними полями в одному місці, але в різний час. Наприклад, на виході одночастотний лазер може мати дуже високою тимчасової когерентністю, оскільки електричне поле з часом розвивається досить передбачуваним чином: воно має чисте синусоїдальним коливанням протягом тривалого періоду часу.
Лазери можуть випромінювати пучки світла (наприклад, гауссова пучки) з дуже високою просторовою когерентністю, і це, мабуть, найважливіше відмінність між лазерним випромінюванням і випромінюванням від інших джерел світла. Висока просторова когерентність виникає через існування мод резонатора, які визначають в просторі корельовані моделі поля. У ситуаціях, коли тільки одна мода резонатора має достатню посилення для виникнення генерації, може бути обрана тільки одна поздовжня мода для отримання одночастотної генерації лазера, також з дуже високою часовою когерентністю.
На малюнку праворуч показана різниця між просторової і тимчасової когерентністю. На верхньому малюнку показаний монохроматический гаусів пучок, що демонструє ідеальну просторову і тимчасову когерентність.
На середньому малюнку показаний пучок з високою просторовою когерентністю, але з маленькою тимчасової когерентністю. Хвильові фронти утворені вище, і якість пучка як і раніше дуже високі, але амплітуда і фаза променя змінюється вздовж напрямку поширення. Зверніть увагу, що амплітуди і відстані між фронтами можуть варіюватися в деякій мірі. Такий пучок може бути створений, наприклад, при генерації суперконтинуума .
На нижньому малюнку показаний лазерний промінь з поганою просторової когерентністю, але з високою часовою когерентністю. Хвильові фронти деформуються, і це призводить до високої розбіжність пучка і низької якості променя. З іншого боку, пучок монохроматічен, так що відстань між деформованими фронтами залишається постійним. Такий пучок може бути отриманий при проходженні випромінювання одночастотне лазера через оптично неоднорідні матеріали.
Вимірювання ступеня когерентності
Існують різні способи кількісної оцінки ступеня когерентності:
• Кореляційні функції вказують ступінь кореляції в залежності від просторової або часової дистанції.
• Контраст інтерференційної картини, утвореної накладенням двох променів, характеризує їх ступінь когерентності.
• Час когерентності визначається як час, при якому когерентність втрачається.
• Довжина когерентності дорівнює довжині когерентності, помноженої на швидкість світла у вакуумі. Вона також характеризує часу когерентність (НЕ просторову!) Уздовж того шляху поширення, на якому ця когерентність втрачається.
• Ширина спектральної лінії одночастотне лазера також сильно залежить від временнОй когерентності: вузька ширина спектральної лінії (висока монохроматичность) означає високу часової когерентності.
Співвідношення між оптичною пропускною спроможністю і тимчасової когерентністю може бути незвичайним. Наприклад, послідовність імпульсів лазера з синхронізацією мод (mode-locked laser) може мати широку смугу пропускання зі спектром Фур'є, що складається з дискретних дуже вузьких ліній (→ частотні гребінки). Тимчасова когерентність може бути дуже високою в тому сенсі, що є сильні кореляції поля для великих тимчасових затримок, які близькі до кратних періодів імпульсу.
Важливість когерентності у вирішенні практичних завдань
Деякі програми потрібне світло з дуже високою просторовою і тимчасовою когерентністю. Це відноситься, наприклад, для багатьох завдань интерферометрии , Голографії, а також до деяких видів оптичних датчиків (наприклад, волоконно-оптичних датчиків). Такі особливості мають важливе значення для техніки з когерентним зведенням променів лазерів.
Для інших додатків когерентність використовується світла повинна бути максимально низькою, наскільки можливо. Наприклад, дуже низька тимчасова когерентність (але в поєднанні з високою просторовою когерентністю) потрібно для когерентної томографії, де високу просторову роздільну здатність вимагає низької тимчасової когерентності. Відповідні джерела світла для таких додатків можуть бути засновані на посиленні спонтанного випромінювання (ASE) від лазерного підсилювача (суперлюмінесцентних джерел) або на генерації суперконтинуума в нелінійних середовищах. Низька ступінь тимчасової когерентності також може бути корисною для лазерних проекційних дисплеїв, роботи з зображеннями і покажчиками додатків, так як це зменшує утворення спекловой картини і подібних інтерференційних ефектів.
Когерентність в квантовій оптиці
У квантовій оптиці термін «когерентність» часто використовується для опису параметрів випромінюючих атомів або іонів. В цьому випадку, когерентність відноситься до співвідношення фаз між комплексними амплітудами відповідних електронний станів. Це важливо, наприклад, в контексті лазерної генерації без інверсії. Існує також термін "когерентне стан" світлового поля, яке має ще одне значення.
