Временная когерентность
Лекция 2
Основная трудность в наблюдении интерференции света состоит в получении когерентных волн.
Когерентность - согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, позволяющих получать при их сложении четкую интерференционную картину.
Существование интерференционной картины является прямым следствием принципа суперпозиции гармонических колебаний и волн. Для этого необходимо разделить свет, излученный каждым атомом источника, на две или более групп волн, которые будут когерентны, т.е. имеют одинаковую частоту, постоянную разность фаз и одинаково поляризованы. В дальнейшем результат интерференции будет зависеть от величины разности фаз, т. е. будет наблюдаться - усиление или ослабление света в точке наблюдения. Поэтому нельзя наблюдать интерференцию от двух независимых источников света. Это связано с природой самого излучения света. Например, излучения света атомом, молекулой, ионом происходит при переходе их из одного возбужденного состоянии в другое. Продолжительность процесса излучения кванта энергии атомом составляет t » 10-8 с. За это время атом испускает волновой цуг (импульс волны, ограниченный во времени синусоидальный сигнал, перемещающийся во времени как единое целое), рис. 1, а, б. Протяженность цуга волны 
составляет от одного до десяти метров, где 
или 
, волновое число k = 
, Dw = с ×Dk, т. е. 
>> 1.
Рис. 1
|
Следовательно, цуг испущенной волны атомом за время t, тем ближе по своим свойствам к монохроматической волне с циклической частотой w0 (в вакууме) и волновым числом k0, чем больше время его излучения.
Для видимого света w0 » 1015 с-1 . Свет испущенный любым макроскопическим источником, является не монохроматичным, так как состоит из большого множества быстро сменяющих друг друга цугов, начальные фазы которых изменяются хаотически, а значения циклических частот w0 различны по сравнению с частотой колебания этих цугов. Для характеристики когерентности световых волн вводятся временная когерентность.
Когерентность колебаний, совершаемых в одной и той же точке пространства, но в разные моменты времени, называют временной когерентностью.
Промежуток времени, в течение которого случайное изменение фазы волны достигает порядка p, называют временем когерентности tког.
По истечении времени tког колебание, или волна, как бы забывает свою фазу и становится некогерентной. Если средняя продолжительность испущенного цуга равна времени когерентности tког и отлична от среднего времени жизни атома в возбужденном состоянии (tког < 10-8 c для спонтанного излучения), то tког тем меньше, чем шире спектр рассматриваемых частот немонохроматического света. Для видимого света время когерентности tког » 10-14 с, длина когерентности 
»10-7 м. В действительности интерференцию трудно наблюдать из-за эффекта Доплера, из-за уширения энергетических уровней и других причин. При более высокой степени монохроматичности излучения лазеров время когерентности tког » 10-5 с, длина когерентности для лазеров 
»103 м. Длине когерентности соответствует максимальный порядок интерференции
.
Для тепловых источников излучения dn » 108 Гц, а в случае лазеров (газовых) - dn » 102 Гц. Соответствующее им время когерентности tког » 10-8 с и tког » 10-2 с, а длины когерентности - 
»1 м и 
»106 м.
Вывод: Наблюдать интерференцию света в реальных условиях можно только при оптической разности хода, меньшей длины когерентности.
В настоящее время когерентные явления приобретают глобальный характер, которые используются при изучении свойств излучения и веществ: кристаллов, жидкостей, газов, молекул, атомов, ядер, элементарных частиц и т. д. Изучение когерентных свойств вещества началось с явления сверхпроводимости.
При определенных условиях (низкие температуры) вся совокупность электронов, образующих единое состояние, характеризуется электронной упорядоченностью и фазовой когерентностью.
Все электронные пары имеют в данном сверхпроводнике одинаковую фазу.
Когерентными свойствами вещества определяется явление сверхтекучести. При давлениях более 30 атм происходит когерентная кристаллизация жидкого гелия. Фазовые соотношения и когерентность играют важную роль в эффектах Джозефсона, Гана и др.