Когерентность (пространственная и временная). Понятие монохроматичности света. Монохроматичный и широкополосный свет.

Когере́нтность (от лат. cohaerens — «находящийся в связи») — скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.

Когерентность волны означает, что разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть нескоррелированных) излучателей.

Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временно́й и пространственной когерентности. При распространении электромагнитных волн в волноводах могут иметь место фазовые сингулярности. В случае волн на воде когерентность волны определяет так называемая вторая периодичность.

Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.

Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Временной аспект когерентности имеет исключительно важное значение при рассмотрении явлений взаимодействия электромагнитных волн ввиду того, что в строгом смысле на практике монохроматических волн и волн с абсолютно одинаковыми частотами не существует из-за статистического аспекта излучения электромагнитных волн. Монохроматические волны представляют собой бесконечный по продолжительности и локализации пространственно-временной процесс, что очевидно невозможно с точки зрения предположений о конечности энергии источников электромагнитных волн, а ввиду конечного времени излучения, его спектр также имеет ненулевую ширину.

Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени τcoh. Это время τcoh называют временем когерентности.

Можно сравнить фазы одного и того же колебания в разные моменты времени t1 и t2, разделённые интервалом τcoh. Если негармоничность колебания проявляется в беспорядочном, случайном изменении во времени его фазы, то при достаточно большом τcoh изменение фазы колебания может отклониться от гармонического закона. Это означает, что через время когерентности τcoh гармоническое колебание «забывает» свою первоначальную фазу и становится некогерентным «само себе».

Для описания подобных процессов (а также процессов излучения, конечной длительности) вводят понятие цуг волн - "отрезок" монохроматической волны, конечной длины. Длительность цуга τcoh и будет временем когерентности, а длина lcoh = cτcoh - длиной когерентности (c - скорость распространения волны). По истечении одного гармонического цуга он как бы заменяется другим с той же частотой, но др. фазой.

Монохроматический свет - электромагнитная волна одной определённой и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом (см. Свет). Происхождение термина «М. с.» связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн др. диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним также используют термин «монохроматический» («одноцветный»), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Свет высокой степени монохроматичности излучают лазеры, а также свободные атомы.

Широкополосный свет– спектр с длиной волны от 10 до 30-40-50 нм. Широкополосный свет имеет диапазон, сравнимый с полосами поглощения биологически значимых молекул. Источниками широкополосного света являются сверхяркие светодиоды, светолюминисцентные источники.

6. Лазер. Распределение Больцмана. Понятия инверсной заселённости, вынужденного излучения. Рабочее вещество лазера. Виды источников энергетической накачки. Основные компоненты конструкции лазера. Особенности лазерного излучения.

 

Лазеры.

 

Лазерами называют специальные оптические устройства, позволяющие получить узконаправленный пучок монохроматических, поляризованных световых волн. Дословный перевод слова лазер - усиление света посредством вынужденного излучения. Из названия вытекает главная особенность данного излучения – это не обычное спонтанное излучение, вынужденное или индуцированное. Для него характерно то, что если электрон находится на некотором возбужденном уровне (Е2), то переход этого электрона на основной уровень Е1 может быть инициирован другим фотоном

При этом фотон, инициирующий переход электрона на основной уровень порождает совершенно идентичный вторичный фотон - той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении, точно такой же поляризации. Появляются как бы два совершенно одинаковых фотона – близнеца, что и отражено в названии - “усиление ”. Эта пара зарождает уже 4 фотона. Получается лавина одинаковых по длине волны и энергии фотонов. Лазерный свет – вынужденное излучение, которое с помощью резонатора получает большую мощность.

Особенности лазерного излучения:

-высокая монохроматочность, узость спектра, ширина спектра около 1 нм, неадекватна спектрам поглощения молекул.

-достаточно большая мощность,

- однонаправленность. Фотоны – близнецы в вынужденном излучении имеют одинаковую направленность, расходимость меньше 1.

- когерентоность – постоянство разности фаз в волне, временная и пространственная.

-луч плоскополяризован (в отличии от естественного света).

Распределение молекул по энергетическим уровням за счет тепловой энергии определяется распределением Больцмана.

ni/n0 = e *-dEi/kT где n0 и ni- число молекул в основном и i-ом возбужденном состояниях, dEi- разность энергий для этих состояний, k - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Для работы лазера важным условием является наличие электронов на верхнем, возбужденном уровне. Пусть n1 – число электронов, которые находятся в нижнем энергетическом состоянии, n2 - число атомов которые находиться в верхнем энергетическом состоянии. Обычно n2 ‹ n1 . Поэтому для работы лазера нужно искусственно создать условия, при которых n2 › n1, так называемую инверсную населенность уровней. Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной.

Поддержание инверсной населенности уровней называется накачкой.

Активную среду нужно расположить между двумя зеркалами, отражающими свет строго назад

 

 

Зеркало полузеркало

 

замкнутая среда газов

 

волна с двойником

Устройство гелий – неонового лазера:

1. Газоразрядная газовая трубка диаметром около 7 мм.

2. Смесь гелия и неона (гелия в 10 раз больше)

3. Электроды для создания газового разряда

4. Плоские зеркала, расположенные параллельно.

При подаче электрического напряжения на электроды возникает свечение газового разряда в трубке. Оно распространяется во все стороны. Но часть лучей попав на зеркала многократно отражается, вызывая тем самым вынужденные переходы в газовой среде. Пучок света, находящийся между зеркалами резко увеличивается и часть его будет выходить через полупрозрачное зеркало наружу узким лучом, оставшаяся часть излучения поддерживает работу лазера. В зависимости от многослойного покрытия зеркал получают лазеры на разные длины волн от видимого до инфракрасного излучения.

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Лазерное излучение выводится наружу через одно из зеркал, обладающее частичной прозрачностью.

 

В рубиновом лазере используется оптическая накачка. Получение лазерного излучения возможно только в такой системе, для которой существует, по крайней мере, три энергетических уровня. Один из этих уровней является метастабильным с достаточно продолжительным временем жизни. Атомы возбуждаются за счет поглощения света через третий (Е3) выше расположенный уровень В кристалле рубина уровни Е1, Е2, Е3 принадлежат примесным атомам хрома.

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем многие атомы хрома , входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0.05%), переходят в состояние с энергией Е3, а через промежуток 10-8 с они переходят в состояние с энергией Е2. Перенаселенность возбужденного уровня Е2 по сравнению с невозбужденным уровнем Е1 возникает из за относительно большого времени жизни уровня Е2. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694нМ (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106-109 Вт

Газовый лазер работает на смеси гелия и неона при соотношении компонент Не и Ne примерно как 10:1, давление смеси примерно равно 100 Па, длина волны 632,8 нМ в непрерывном режиме. Для газового лазера характерна высокая монохроматичность - ширина линии 5*10-4 Гц. Накачка осуществляется в высоковольтном электрическом разряде.