Когерентность света лазеры: генератор электромагнитного, монохроматического, когерентного, высоконаправленного излучения в оптическом диапазоне длин волн

1. Характеристики излучения лазеров и их преимущества перед другими источниками излучения

Прежде чем перейти к изучению принципов действия лазеров и лазерных усилителей, рассмотрим основные характеристики их излучения, к достоинствам которого относятся высокая степень монохроматичности, когерентности, поляризации, направленности, высокий уровень мощности и возможность генерации предельно коротких световых импульсов.

Монохроматичность излучения

Одной из основных характеристик излучения является ширина его спектра, т.е. диапазон частот или длин волн, который занимает излучение, а также его средняя частота или длина волны. Для оценки степени монохроматичности излучения используется следующее выражение:

_, (1)

где ,- спектральная ширина излучения;,– средняя (центральная) частота или длина волны соответственно.

Если , то излучение идеально монохроматично; если, то излучение называют квазимонохроматичным.

Величинапредставляет собой отклонение от идеальной монохроматичности: чем она больше, тем ниже монохроматичность излучения. Идеально монохроматичное излучение имеет ширину спектра, равную нулю. Такое излучение представляет собой колебания одной длины волны (частоты), длящееся бесконечно долго. Как известно, в природе таких источников нет. Излучение волн атомами и молекулами весьма ограничено во времени и происходит отдельными порциями – цугами (одна из моделей излучения), которое можно представить как ограниченное во времени синусоидальное колебание. Цуг волн – не периодическое колебание, так как его периодичность не существует бесконечно долго.

Как известно, вычисление спектров колебаний можно провести, используя Фурье-анализ (преобразования Фурье). Применяя преобразование Фурье к вычислению спектра, соответствующему цугу волны, описываемому функцией , где- циклическая частота, и занимающему интервал времени отдо, можно получить, что приближенно ширина спектра равна:

. (2)

Таким образом, ширина спектрального интервала обратно пропорциональна длительности процесса излучения. Аналогичный результат получается при рассмотрении модели излучения атома как гармонического затухающего осциллятора. Если учесть, что длительность цуга, излучаемого атомами, может составлять значения порядка , ширина спектра будет около.

Приведенные примеры относятся, вообще говоря, к отдельному, изолированному осциллятору. В реальных излучателях спектральная ширина излучения, как правило, гораздо больше, чем определяемая ограниченностью времени излучения, что объясняется рядом причин: взаимодействием излучающих частиц, их взаимным перемещением, излучением на различных переходах и т.п. Перекрываясь между собой, спектральные линии образуют сложную картину спектрального распределения излучения, занимающего значительную ширину.

Увеличить степень монохроматичности такого излучения можно, используя спектральные фильтры, например, монохроматор. Отметим, что с помощью самых совершенных монохроматоров можно получить спектральные линии, степень монохроматичности которых не превышает . При этом мощность такого излучения крайне мала из-за огромных потерь при фильтрации излучения.

Лазеры же могут обеспечить степень монохроматичности до

, при значительных уровнях мощности излучения.

В связи со сказанным спектральная плотность энергетической светимости даже очень сильно нагретого тела может оказаться весьма малой. Например, для солнечной поверхности, имеющей температуру около , энергетическая светимость составляет, а спектральная плотность энергетической светимости около.

Современные лазеры обеспечивают спектральную плотность в миллиарды и более раз большую. Так, например, рубиновый лазер позволяет получить спектральную плотность, соответствующую 10 миллиардам градусов, т.е. в миллионы раз превышающую температуру солнечной поверхности.

Высокая степень монохроматичности излучения необходима, в частности, для исследования свойств атмосферы, определения монохроматических коэффициентов поглощения и рассеяния, анализа спектров поглощения, изучения фотохимических реакций, управления химическими реакциями, увеличения помехозащищенности системы приема излучения за счет применения узкополосных оптических фильтров.

Монохроматичность связана с другим важнейшим свойством лазерного излучения – его когерентностью.

Когерентность излучения

Слово “когерентность” означает согласованность, связь. В применении к электромагнитному излучению это относится к согласованности, связи между электромагнитными колебаниями, волнами.

Поскольку излучение распространяется во времени и в пространстве, можно оценивать согласованность колебаний, излучаемых источником в различные моменты времени, в одной и той же точке пространства (временная когерентность), а также согласованность колебаний, излучаемых в один и тот же момент времени в различных точках пространства (пространственная когерентность). Напомним, что математически эта связь описывается с помощью корреляционных функций и количественно определяется модулем комплексной степени когерентности .

Таким образом, когерентность оценивает качество излучаемых источником колебаний с точки зрения их идентичности, в различные моменты времени и в различных точках пространства.

Убедиться, когерентны колебания или нет, можно в физическом эксперименте, накладывая исследуемые колебания друг на друга, т.е. осуществляя интерференционный эксперимент. Если колебания когерентны, то при этом возникает интерференционная картина, имеющая вид чередующихся светлых и темных полос, распределение интенсивности в которой описывается известным выражением:

, (3)

где ,,,- частоты,,- интенсивности,_, – фазы сравниваемых колебаний. На рис.1 показан вид такого распределения.

Очевидно, что чем выше согласованность (когерентность) колебаний, тем выше видность (контраст) такой интерференционной картины, который определяется так:

, (4)

Можно показать, что степень когерентности связана с контрастом наблюдаемой интерференционной картины соотношением:

, (5)

где .

Коэффициент учитывает то обстоятельство, что контраст картины зависит не только от когерентности колебаний, но и от соотношения их интенсивностей. При равенстве интенсивностей, и.

Поскольку контраст интерференционной картины может принимать значения от до, степень когерентноститакже может принимать значения от, что соответствует полностью некогерентному излучению, до, что соответствует идеально когерентному излучению.

Из сказанного ясно, что для определения степени когерентности колебаний в пучке излучения надо выделить исследуемые колебания, наложить их друг на друга, определить контраст полученной интерференционной картины и интенсивности наложенных колебаний,и рассчитать степень когерентностипо формуле (5).

Временная когерентность

Для определения степени временной когерентности можно использовать интерферометр Майкельсона, позволяющий наблюдать результат интерференции колебаний, излученных источником в различные моменты времени. Схема эксперимента показана на рис.2.

Если плечи интерферометра иравны, то наблюдаемая интерференционная картина характеризует когерентность колебаний, излученных в один и тот же момент времени. По мере увеличения одного из плеч сравниваются колебания, излучение которых разделено временным интервалом:

. (6)

По мере увеличения одного из плеч интерферометра степень когерентности будет уменьшаться. Зависимость степени когерентности от временного интервала или соответствующей ему длиныназываетсяфункцией временной когерентности.

Временной интервал, при котором колебания остаются когерентными (обычно при значениях степени когерентности не ниже ) называется временем когерентности исследуемых колебаний. За время когерентностиколебания распространяются в пространстве на длину, называемую

длиной когерентности. Таким образом, длина когерентности характеризует пространственную протяженность колебания, в пределах которой его можно считать когерентным.

Для обычных, (нелазерных) источников длина когерентности крайне мала и не превышает нескольких миллиметров. При обеспечении специальных условий она может быть увеличена, но не превышает нескольких метров, причем интенсивность такого излучения крайне мала. Время когерентности, соответствующее указанным длинам когерентности, составляет .

Для лазеров время когерентности зависит от их типа и режима работы. Как правило, наибольшей когерентностью обладают газовые лазеры, работающие в одночастотном режиме (на одной поперечной и продольной моде). Так, для одночастотного лазера с относительной нестабильностью частоты околодлина когерентности составляет около. Для лазера, работающего в одномодовом режиме, степень временной когерентности носит периодический характер, период зависит от длины резонатора, а время и длина когерентности – от количества продольных мод, что иллюстрируется рис.3.

В приближенных оценках можно считать, что для лазера . Таким образом, знание функции временной когерентности позволяет, задаваясь необходимым значением степени когерентности (контрастом интерференционной картины), определить длину когерентности, которую способен при этом контрасте обеспечить данный лазер, что необходимо при построении целого ряда лазерных приборов, основанных на принципах когерентной оптики (с использованием интерференционных, дифракционных и других эффектов). Поясним это на примере.

Большая длина когерентности означает, в частности, возможность использования интерференционного метода при измерении больших длин и перемещений. Как известно, точность интерференционных методов, в которых анализируются параметры интерференционной картины, определяется расстоянием между интерференционными полосами и составляет доли длины волны используемого излучения.

Рассмотрим в качестве примера лазерный измеритель длин и перемещений. В основе такого измерителя может быть интерферометр Майкельсона, приведенный на рис.2. Если в экране сделать небольшое отверстие, не больше ширины интерференционного максимума, и поставить за отверстием фотодатчик, то при перемещении зеркала, которое связывают с перемещающимся объектом (например, с суппортом станка и т. п.), с фотодатчика будут следовать электрические сигналы, соответствующие смене максимумов и минимумов интерференционной картины. Очевидно, что перемещение, при котором максимум электрического сигнала будет сменяться на минимум, составит четверть длины волны, а интервал между максимумами такого сигнала составит. Подсчитывая число максимумов такого сигнала с помощью электронного счетчика, можно легко определить измеряемое перемещение (умножив его показания на) с точностью до долей длины волны. Дифференцируя электрический сигнал по времени, можно также определить скорость перемещения и ее изменения.

Очевидно, что расстояние, которое может быть измерено таким путем, может быть равно половине длины когерентности (учитывая двойной проход излучения в плече интерферометра) используемого источника излучения, так как при больших расстояниях будет исчезать интерференционная картина. Если такое устройство будет использовать лазер, имеющий длину когерентности несколько сотен метров, это означает, что можно измерять такие расстояния и перемещения с точностью до долей длины волны, которая, например, для гелий-неонового лазера составляет.

Напомним, что длину или время когерентности можно оценить, зная ширину спектральной линии излучения или степень его монохроматичности:

;

, (7)

где – коэффициент, близкий к, зависящий от формы огибающей спектра.

Высокая временная когерентность излучения лазеров может быть, например, использована для передачи информации на оптических частотах, во всевозможных опытах и приборах, связанных с интерференцией (измерение расстояний, длин, перемещений, скоростей и ускорений, обнаружение дефектов поверхностей и т.п.), для осуществления оптического гетеродинирования при приеме когерентных оптических сигналов, в стандартах частоты и времени и т.д.

Пространственная когерентность

Для определения степени пространственной когерентности необходимо выделить излучение в интересующих двух точках сечения луча (волнового фронта), наложить излучения от этих точек, измерить контраст интерференционной картины и интенсивности создающих ее колебаний (заметим, что существуют и другие способы измерения пространственной когерентности).

Осуществить это можно, используя интерферометр Юнга, представляющий собой непрозрачный экран 1 с двумя отверстиями малого диаметра, пропускающими излучение в интересующих точках пучка. Ввиду малости отверстий излучение на них дифрагирует и на некотором удалении от непрозрачного экрана образуется зона, в которой накладываются излучения от одного и другого отверстия, в которой и наблюдается интерференционная картина (рис.4)

Степень пространственной когерентности можно определить по формуле (5).

.

Изменяя расстояние между отверстиями , можно определить ее зависимость от, называемую функцией пространственной когерентности. Вид такой функции для лазеров показан на рис.5: 1-одномодовый, одночастотный режим генерации; 2-многомодовый.

Как видно, наибольшей степенью пространственной когерентности обладают одномодовые, одночастотные лазеры. У них степень пространственной когерентности близка к 1 в пределах почти всего сечения луча Ф. Для лазеров, работающих в многомодовом режиме, пространственная когерентность ухудшается и имеет вид, соответствующий кривой 2. Эти кривые позволяют определить область в поперечном сечении луча (интервал корреляции), в пределах которой степень когерентности не ниже заданной величины, что крайне важно для практических применений.

Следует заметить, что вид функции пространственной когерентности (за исключением одномодового, одночастотного режима) будет зависеть от того, как она определялась, как смещались отверстия в луче в процессе ее измерения.

Если отверстия, например, смещались симметрично относительно центра луча, функция когерентности будет отображать корреляцию колебаний в точках луча, симметричных относительно его центра и находящихся на различном удалении друг от друга. Если одно из отверстий закреплялось в центре луча, а второе смещалось от него к периферии, функция когерентности отображает корреляцию излучения в центре лазерного пучка и точках, удаленных от центра на различные расстояния и т.д.

Поэтому необходимо сопоставить то, как будет использована в конкретном приложении эта функция, с тем, как она должна быть определена.

Таким образом, наибольшей пространственной когерентностью обладают одномодовые, одночастотные лазеры, у которых высока степень корреляции колебаний практически между всеми точками волнового фронта. У обычных источников интервал корреляции много меньше даже при принятии специальных мер, а интенсивность такого излучения крайне низка.

Следует иметь в виду, что на пространственную когерентность излучения существенно влияет неоднородность среды, через которую оно проходит.

От пространственной когерентности зависят направленность излучения лазера, возможность достижения дифракционного предела угловой расходимости и фокусировки его в пятно предельно малых размеров (порядка ).

Не прибегая к строгой теории, понять это можно, представив, что если пространственная когерентность отсутствует, фазы волн в различных участках волнового фронта хаотически меняются. Меняется, следовательно, хаотически форма эквифазной поверхности, т.е. волнового фронта, а значит, меняется, флуктуирует в больших пределах и направление распространения излучения, поскольку направление распространения определяется нормалями к волновому фронту в каждой точке волновой поверхности. В результате угловая расходимость значительно превышает дифракционный предел, а область фокусировки значительно превышает .

При формировании же волнового фронта, близкого к плоскому, с высокой пространственной когерентностью, что и происходит в лазерах, волновой фронт почти не флуктуирует, является как бы “замороженным”, что и определяет высокую направленность лазерного излучения и возможность достижения дифракционного предела как с точки зрения направленности, так и при фокусировке.

Свойство высокой когерентности, в частности, крайне необходимо в голографии, где изображение объекта записывается в виде интерференционной картины при наложении волновых фронтов излучения опорной волны, идущей от источника излучения, и референтной волны, рассеянной от объекта на некоторой площади (фотопластине). При отсутствии пространственной когерентности, очевидно, такая картина записана быть не может.

Высокая направленность определяет следующие преимущества лазеров перед другими источниками: чрезвычайно малые потери энергии, связанные с увеличением расстояния и расходимостью пучка. Расчеты показывают, что при помощи существующих лазеров и приемников излучения в оптическом диапазоне можно осуществлять связь на гигантских расстояниях в несколько световых лет. Излучение лазера можно наблюдать с помощью бинокля на расстояниях до одного светового года; возможность высокоэффективной пространственной фильтрации при приеме сигналов; высокое угловое разрешение и скрытность и т.п.

Следовательно, узконаправленное излучение может быть эффективно использовано: для передачи информации на большие расстояния, в космической связи; в оптической локации; при передаче энергии на большие расстояния; в системах наведения по лучу и т.п.

Размер пятна фокусировки лазерного излучения, как уже указывалось, может быть порядка , что для видимого участка спектра составляет. С помощью такого пятна на пластинеможно записать свышеотдельных черно-белых точек или бит-единиц информации в двоичном коде. Это соответствует 20-минутному телефильму или миллиону страниц печатного текста. Плотность записи информации при этом враз выше, чем самой современной магнитной.

Плотность мощности (облученность) в пятне фокусировки при этом может составлять значения от до. Напряженность электрического поля при этом доходит до. Напомним, что плотность мощности Солнца составляет всего.

Огромная плотность излучения лазеров приводит к тому, что любое вещество испаряется в месте фокусировки такого излучения. Кроме того, там развивается давление в миллионы атмосфер. Это открывает возможности применения лазеров в технологии: прошивке микроотверстий в любых веществах, резке, сварке, пайке, в исследованиях по осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Для поляризации вакуума, рождения электрон-позитронных пар необходимы плотности что, возможно, и будет достигнуто с помощью лазеров. При поляхнаблюдается оптический пробой воздуха, начинают сильно проявляться нелинейно-оптические явления, т.к. эти напряженности уже сравнимы с внутриатомными полями.

Поляризация

Поляризованное излучение – это излучение с преимущественным направлением колебания вектора электрического (магнитного) поля. Общим, наиболее сложным случаем, является эллиптическая поляризация. Остальные виды могут рассматриваться как частный случай (линейная, круговая).

Как известно, естественный свет излучается огромным числом атомов, испускающих хаотически цуги волн различных поляризаций. Вследствие этого излучение обычных источников практически не поляризовано. Например, излучение накаленной вольфрамовой нити поляризовано примерно на . Для увеличения степени поляризации излучение пропускают через поляризатор, что влечет значительные потери энергии.

Излучение большинства лазеров является поляризованным, со степенью поляризации близкой к . С появлением лазеров возник новый способ получения мощного, направленного, поляризованного излучения.

Поляризованное излучение можно очень плавно менять по интенсивности с помощью поляризатора в широких пределах () и модулировать не по интенсивности, а по состоянию поляризации. При этом мощность источника используется полностью, без потерь. Поскольку излучение лазеров имеет почтиполяризацию, легко заметить ее изменение после взаимодействия излучения с различными материалами и изделиями: при отражении от них, прохождении через них и т.д., что позволяет судить об их свойствах по изменению состояния поляризации.

Вследствие сказанного поляризованное излучение находит весьма широкое применение в поляризационной микроскопии для обнаружения весьма малых сдвигов фаз, в фазоконтрастной микроскопии, в эллипсометрии, в системах связи и т.д.

Энергия и мощность излучения лазеров

Излучение лазеров непрерывного действия характеризуется мощностью. В современных лазерах она составляет величины от единиц милливатт (например, гелий-неоновые лазеры) до десятков киловатт (например, лазер на основе углекислого газа). Такие лазеры применяются как в измерительных системах, так и в энергоемкой технологии, например, для резки материалов.

Как известно, импульсный режим позволяет реализовать значительно большие мощности, чем непрерывный. В зависимости от типа лазера и режима его работы мощность в импульсе может достигать значений до и более. Длительность импульсов может достигать крайне малых значений – до.

Таким образом, лазеры обеспечивают не только высокую концентрацию энергии в пространстве, но и огромную концентрацию (плотность) энергии во времени, самые короткие длительности световых импульсов.

Импульсные лазеры могут работать как в режиме одиночных, так и повторяющихся с определенной частотой и периодом импульсов. В этом случае их можно характеризовать не только импульсной, но и средней мощностью, которую можно определить так: , где– мощность в импульсе,– длительность импульса,- период следования импульсов.

Из приведенных примеров ясно, что по своей мощности, ее спектральной плотности, лазеры на много порядков превосходят все существующие до их появления источники излучения, также как и по возможности генерации предельно коротких световых импульсов, по своей длительности приближающихся к длительности периода световых колебаний.

Указанные преимущества излучения лазеров определяют большие возможности их использования в науке и технике.

Контрольные вопросы

1. Назовите возможные параметры излучения современных лазеров в непрерывном и импульсном режимах (мощность излучения, степень монохроматичности, длительность импульса, время и длину когерентности), сопоставьте с достижимыми параметрами нелазерных источников света.

2. Поясните смысл степени монохроматичности, временной и пространственной когерентности, степени и функции когерентности, взаимосвязь спектральной полосы излучения со степенью монохроматичности, временем и длиной когерентности.

3. Объясните экспериментальные методы и устройства, позволяющие измерить степень временной и пространственной когерентности, снять функции когерентности.

4. Объясните взаимосвязь пространственной когерентности с угловой расходимостью излучения и размером пятна фокусировки.

5. В чем различие понятий “плоский волновой фронт” и “плоская волна”?

6. Приведите примеры практического применения лазеров при решении задач в науке и технике, где используются те или иные достоинства лазерного излучения.

Оптическая голография, Т.1

Оптическая голография, Т.1

Ж. Априль, А. Арсено, Н. Баласубраманьян и др. Оптическая голография: Пер. с англ./Под ред. Г. К.олфилда. — М.: Мир, 1982 — Т.1 — 376 с. Коллективная монография, написанная ведущими специалистами США и Канады, охватывает почти все вопросы, связанные с теорией и практическим применением оптической голографии и оптических методов обработки информации. В русском переводе книга издается в 2-х томах. В том 1 вошли главы 1—8, посвященные разделам науки, на основе которых разрабатывается голография, а также вопросам теории и формированию голограмм; подробно рассматривается использование лазеров и сред для записи голограмм. Наличие множества новейших справочных данных делает книгу замечательным практическим руководством для специалистов, применяющих голографические методы. Оглавление Предисловие редактора перевода Предисловие Глава 1. ВВЕДЕНИЕ Глава 2. ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИИ 2.1.1. Преобразование Фурье 2.1.2. Преобразование Лапласа 2.1.3. Преобразование Фурье — Бесселя 2.1.4. Преобразование Френеля 2.1.5. Преобразование Гильберта 2.1.6. Преобразование Меллина 2.1.7. Преобразование Абеля 2.2. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ 2.2.2. Сложение двух когерентных волн 2.2.3. Интерференция двух пучков 2.2.4. Распространение когерентного света — дифракция Френеля и Фраунгофера 2. 3. ЧАСТИЧНО-КОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ 2.3.1. Сложение двух частично-когерентных квазимонохроматических полей 2.3.2. Интерференция двух частично-когерентных квазимонохроматических пучков 2.3.3. Интерференция двух частично-когерентных полихроматических пучков 2.3.4. Пространственная и временная когерентность 2.3.5. Дифракция и интерференция частично-когерентного света 2.4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ 2.4.2. Формирование изображения в когерентном и некогерентном свете 2.4.3. Предел разрешения 2.4.4. Аберрации 2.4.5. Голографические изображения 2.4.6. Голографические аберрации 2.4.7. Отношение сигнал/шум 2.4.8. Заключение 2.5. ТЕОРИЯ СВЯЗИ 2.5.2. Теорема выборки (или теорема отсчетов) 2.5.3. Статистическое описание случайных сигналов 2.5.4. Выводы 2.6. ГАЛОГЕНИДОСЕРЕБРЯНАЯ ФОТОГРАФИЯ 2.6.2. Галогенидосеребряный фотографический процесс 2.6.3. Сенситометрия 2.6.4. Денситометрия 2.6.5. Взаимозаместимость 2.6.6. Характеристики изображения 2. 6.7. Влияние изменения окружающей среды на стабильность пространственных параметров слоя 2.6.8. Характеристики сохраняемости фотоматериалов 2.6.9. Словарь терминов Глава 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОЛОГРАММ 3.2. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ СРЕДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 3.3. РЕГИСТРИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕКТНОЙ ВОЛНЫ 3.4. МОДУЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ 3.5. КОНФИГУРАЦИЯ 3.6. СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ 3.7. ОПИСАНИЕ ГОЛОГРАММЫ Глава 4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГОЛОГРАММ 4.1. ГОЛОГРАФИЯ ФРЕНЕЛЯ 4.2. ГОЛОГРАММЫ ФРАУНГОФЕРА 4.3. ГОЛОГРАФИЯ ФУРЬЕ 4.3.4. Свойства голограмм Фурье Глава 5. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ГОЛОГРАММ 5.1. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ГОЛОГРАММЫ 5.2. МУЛЬТИПЛЕКСНЫЕ ГОЛОГРАММЫ 5.3. ЦВЕТНЫЕ ГОЛОГРАММЫ 5.4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ГОЛОГРАММЫ 5.5. СИНТЕЗИРОВАННЫЕ ГОЛОГРАММЫ 5.6. ГОЛОГРАММЫ С ЛОКАЛЬНЫМ ОПОРНЫМ ПУЧКОМ Глава 6. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ 6.1. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КОГЕРЕНТНОМ СВЕТЕ 6.2. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЧАСТИЧНО-КОГЕРЕНТНОМ СВЕТЕ 6.3. ОЦЕНКА ЯРКОСТИ ВОССТАНОВЛЕННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Глава 7. КАРДИНАЛЬНЫЕ ТОЧКИ И ГЛАВНЫЕ ЛУЧИ В ГОЛОГРАФИИ 7.2. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ 7.3. ГЛАВНЫЕ ТОЧКИ ГОЛОГРАММ 7.4. КАРДИНАЛЬНЫЕ ТОЧКИ ГОЛОГРАММЫ 7.5. УРАВНЕНИЯ СОПРЯЖЕНИЯ 7.6. ПРИЛОЖЕНИЯ К РАЗЛИЧНЫМ ТИПАМ ГОЛОГРАММ Глава 8. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ 8.1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ 8.1.2. Рубиновый и Nd:YAG-лазеры 8.1.3. Главные конструктивные характеристики лазеров для голографии 8.2. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ 8.2.2. Когерентные свойства газовых лазеров 8.2.3. Когерентные свойства коммерческих лазеров 8.2.4. Диапазон длин волн выходного излучения газовых лазеров 8.2.5. Диапазон мощностей выходного излучения 8.2.6. Срок службы и стоимость 8.3. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ СРЕДЫ 8.3.3. Галогенидосеребряные эмульсии 8.3.4. Задубленная бихромированная желатина 8.3.5. Фоторезисты 8.3.6. Фотополимеры 8.3.7. Фотопластики 8.3.8. Фотохромные материалы 8.3.9. Прозрачные электрофотографические пленки 8.4. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 8. 4.2. Описание комбинированной мобильной установки ГНК; система с переменной чувствительностью 8.4.3. Акустооптический голографический неразрушающий контроль 8.4.4. Неразрушающий контроль с применением голографии спеклов 8.4.5. Голографическая корреляция 8.4.6. Гибридная система ГНК с автоматической обработкой данных 8.4.7. Голография движущихся объектов 8.4.7.3. Голография движущихся сцен 8.4.8. Другие голографические системы 8.4.9. Заключение

ЧТО ТАКОЕ СОГЛАСОВАННОСТЬ? Лазеры и когерентный свет

		Лазерный свет ведет себя совсем иначе, чем свет от других источников. Книги, предназначенные для детей и широкой публики, объясняют это двумя причинами: Лазерный свет имеет монохроматический или очень чистый цвет. Лазерный свет представляет собой когерентный свет или особый «синфазный» свет. Что значит “согласованный”? В детстве меня всегда смущали объяснения когерентного света. Идентификатор говорили, что когерентность как-то связана с синусоидальной формой фотоны. Свет якобы состоит из маленьких шевелящихся струн; поперечные волны. Учебники изображают каждый фотон как своего рода маленькую «змейку». двигаясь из стороны в сторону. И, якобы, всякий раз, когда все “змеи” сбиваются вместе бок о бок с выровненными покачиваниями, это и есть согласованность. Атомы в лазере излучают свет синхронно по фазе. предположительно конечным результатом является особый вид «синфазного света», когда маленькие синусоидальные волны складываются вместе, как картонные коробки для яиц. Но почему-то это объяснение не укладывалось в моей голове. Это не соответствовало всему остальному, что я знал. И что еще хуже, я не мог использовать объяснение как средство. С одной стороны, типичное объяснение монохроматический лазерный свет был очень полезен во многих ситуациях. Чистый цвет означает одну частоту, а это подразумевает узкие пики в спектре графики и крошечные пятна на шкале радио. «Монохроматический свет» соединяет со звуком, где чистые тона, такие как ноты флейты, монохромны, в то время как нечистый тон широкого спектра звучит как розовый шум (или, возможно, скрипки.) А в голографии всякий раз, когда частота света перемещается высоко или низко, я мог себе представить, как это будет скользить по всем этим крошечным дифракционные картины на моей пленке. Это размыло бы шаблоны и сделать голографию невозможной, поэтому ясно, что голографическая камера нуждается в очень монохроматический источник света. Как концепция, “Монохроматика” работает! Так где же эквивалентная сила в понятии «когерентность»? Как мне использовать эти сложенные змеи, чтобы объяснить многие другие вещи? Где параллельные покачивания проясняют радиоантенну, громкоговоритель или волны на воде? И если мой лазер недостаточно когерентный, чтобы делать голограммы, могу ли я нарисовать очень простая картина точного характера проблемы? Простая картина, которая любая ребенок мог понять? Нет. Он просто не соединился. Что ж, после нескольких лет работы в сфере физики я понял это. Боже, я просто должен был знать… Это объяснение НЕПРАВИЛЬНО. Объяснение когерентного света, которое можно найти в большинстве вводных учебников K12, таково. чистый мусор. Это хуже, чем просто неправильно. Это создало мне ментальный барьер. Это привело меня прямо к заблуждениям, и я не мог двигаться дальше, пока Я снова их разучил. Если говорить прямо, то свет — это не поперечная волна. Или больше в частности, свет — это не «поперечная волна в эфире», а свет представляет собой волну в магнитном и электрическом полях, где векторы поля указывают боком. Но сами линии потока не качаются в стороны, и flux не содержит синусоидальных форм. Посмотрите видео ниже левый. На анимированном графике показаны значения напряженности поля, обнаруженные вдоль одного прямая: значения полей при прохождении световой волны навстречу верно. Единственные присутствующие синусоиды обнаруживаются в структуре интенсивности, на синусоиде измерений напряженности поля. Эта синусоида не форма потока в пространстве. В этом видео единственное задействованное пространство – это прямолинейная ось без рывков.		БОЛЬШЕ СТРАНИЦ ЗДЕСЬ:
	Если бы мы могли видеть свет и радиоволны, могли бы мы найти хоть немного синусоидальные змеи где-нибудь? Неа. Взгляните на второе видео выше верно. Он показывает, как на самом деле выглядели бы электромагнитные волны, если бы мы могли видеть их. Это анимация линий потока, окружающих очень крошечный источник света. источник. ЭМ волны расширяются, как слои луковицы. Линии потока разрываются отрываются от источника, замыкаются на себе, образуя петли, затем отлетают в космос. Конечно, если мы изобразим напряженность поля в зависимости от напряжения оси, они будут формировать синусоидальные волны, как показано в первом видео. Но поток сама не похожа на змею. Он все время указывает совершенно вбок, как замкнутые кольца без синус шевелится. И, конечно же, не существует никакой «эфирной среды», которая могла бы покачиваться, как поперечные синусоиды. Никаких маленьких змей, летающих сквозь космос. Подобно тому, как атомы были маленькими солнечными системами, шевеления были «ложью». детям». Или они просто были неправы. А фотоны? …фотоны либо безразмерные частицы, либо широкие волновые функции, которые «квантуются». Они либо бесконечно маленькие пули летят по прямым линиям, или они подобны огромной расширяющейся электромагнитной ряби из пруда брошенный камешек. Фотоны не имеют форму извилистых змей, они ничего похожего на поперечную волну на струне. Другими словами, все безумное объяснение падения когерентного света отдельно. И даже важнее всего вышеперечисленного… Я понял, что синфазное излучение в лазерах не даже создать любой “синфазный свет” в первую очередь! [Это важно достаточно сказать дважды: когерентный свет не создается синфазно-стимулированным эмиссия. Это очень важно.] Синфазные излучения, конечно, важны. Но они вызывают только усиление света . Они создают усиленный, более яркий свет. Так что создает согласованность? Я доберусь до этого, но сначала подробнее о ошибка. Всякий раз, когда атомы в лазере излучают ЭМ волны в фазе с входящей ЭМ волны, излучаемые волны добавляют к входящему свету, делая его ярче. Два плюс два равно четыре. Но усиление не создает никаких «синфазных свет.” Если два плюс два равно четырем, то в результате 4 будет просто числом, и это не сокрытие любого 2 + 2. Вместо этого это может быть один плюс три или девять минус пять. Я имею в виду, когда две синфазные волны складываются вместе, чтобы создать усиленный волна, исходные волны исчезли. Большая волна не путешествует вечно наряду с двумя меньшими «синфазными волнами», как все эти вводные лазерные пояснения изображают. Вместо этого все эти диаграммы должны показывать, что меньше волны складываются вместе, чтобы создать одиночные, более крупные волны. Усиление. Не какой-то “когерентизирующий эффект”.
	ПЛОХАЯ ДИАГРАММА Синфазное излучение лазера возникает в других темах: это основа для прозрачности материалов. Например, всякий раз, когда атомы в стакане окна поглощают световые волны, они переизлучают эти волны в фазе, поэтому первоначальная волна сохраняется, и материал становится прозрачным. В фазе излучение предотвращает рассеяние света при взаимодействии с атомов в стекле. Так что да, атомы в лазерном стержне или лазерной газовой трубке излучают свет в фазе… делая лазерный материал прозрачным, и это сохраняет любую когерентность, которую входящий свет мог уже иметь имел. Лазерная диаграмма из учебника «в фазе» ниже на самом деле, хех, объяснение прозрачности . Некогерентный свет также может усиливаться и подпрыгните, как показано ниже. Поэтому авторы так и не удосужились рассказать нам, как свет стал когерентным в первую очередь.   ЭТО НЕ ВЕРНО. ЛАЗЕРЫ ТАК НЕ РАБОТАЮТ. Рис. 1 Плохая диаграмма. Вы изучали это в школе? Если это так, вам, возможно, придется разучиться, прежде чем вы сможете понять когерентность. Когерентный свет не ведет себя так. Если рис. 1 выше неверно, тогда что правильно? Если бы мы действительно могли видеть отдельные световые волны, как будет выглядеть когерентный свет? К счастью объяснение довольно простое. Взгляните на рисунок 2А ниже. Это как бы выглядел идеально когерентный свет, если бы мы могли видеть волны. Когерентный свет прост: это свет, исходящий от очень маленького источника света. источник. Свет от одного источника всегда когерентный, так как некогерентность требует два источника. Пространственно-когерентный свет имеет другое название: «сфера». волны” или «плоские волны». Или еще проще: «пинхол-свет» или «точечный источник света». А. Б. Рис. 2 Когерентный источник света излучает волны и/или частицы. Совершенно когерентный источник — это всего лишь точечный источник. Один небольшой источник света посылает электромагнитные волны во всех направлениях. как показано выше. Конечно, эти диаграммы только двухмерны, в то время как реальная ситуация 3D. Мы можем представить себе когерентный волновой фронт сферическим. Волны подобны слоям сферической луковицы, но где луковица расширяется со скоростью света, постоянно добавляются новые слои. центр. ИЛИ… мы могли бы представить, что крошечный источник света излучает поток частиц, разлетающихся во все стороны. Пути этих частицы — это «лучи» света. Поскольку все они летят наружу из одного точка, ни один из лучей не пересекает друг друга. И если этот свет пройдет через собирающую линзу он фокусируется в идеальной точке. Когерентный свет это всего лишь некоторые: Лучи, которые никогда не пересекаются; параллельный или радиальный Идеальные волны в 3D; вложенные сферические волны или плоские волны Значит, когерентный свет — это просто «свет из точечного источника»? Перефразируя Фейнмана: сейчас Я понимаю Evvvvvrrreeethiiing! Наконец, все это имеет смысл: звездный свет АБСОЛЮТНО когерентный, поэтому звездная интерферометрия работает. Звездный свет имеет длину когерентности в тысячи километров, звездный свет намного больше когерентный, чем любой искусственный лазерный свет. И самые далекие звезды как идеальные точечные источники. Я помню, как А. А. Майкельсон обнаружил, что Бетелегейзе гораздо менее когерентна, чем другие звезды. Ха, гораздо меньше как микроскопический точечный источник! Тогда Я вдруг вспомнил Денниса Габора, изобретение голографии до появления лазеров. Для создания своих псевдо-лазеров он просто брал свет от обычной ртутной лампы и пропускал его через дырочка. Линия излучения Меркурия делала его почти монохроматическим, а дырочка придавала ему пространственную связность. Пинхол-пинхол, когда-нибудь слышал о оптическое устройство, называемое “Пространственный фильтр?” Они используются, чтобы «очищать» лазерный свет и делать его гораздо более пространственно согласованным. Пространственный фильтр — это всего лишь очень маленький отверстие с собирающей линзой вверх по течению: любые «некогерентные» части луч будет никогда не сделать это через крошечное отверстие. Он восстанавливает несовершенный лазер точка-источник-ness. И, наконец, я знаю, почему лазеры так прекрасны: лазеры — это точечный свет. источники, которые … на самом деле яркие! Всегда было легко сделать некоторые когерентный свет, просто используйте обычный источник света и оптически малый дырочка (диаметром в полволны). Матовая лампочка может стать когерентным источник света. Но такое маленькое отверстие заблокирует почти весь свет от любого обычного источника. Чтобы поэкспериментировать с это, возьмите слайд-проектор и сделайте слайд с отверстием: алюминиевая фольга слой, перфорированный иглой. Добавьте узкополосный зеленый фильтр, и все. ваш одобренный Gabor 19Лазерный источник 40s. Сделать несколько голограмм? хех, немного хотя долгое время выдержки.   Рис. 3 КТО-ТО ПОЛУЧИТ ПРАВИЛЬНО! Приведенная выше диаграмма без атрибутов найдена в сетевых архивах. В далеком прошлом использовались и монохроматические когерентные источники. микроваттные источники света, от этого никуда не деться. Создание когерентного света означало выбросить почти всю власть. Отправка многих милливатт свет через крошечное отверстие с длиной волны было практически невозможно. Итак, все причудливые и удивительные возможности лазеров оказались недостижимыми. Но лазеры легко решили проблему, потому что с самого начала они создают некоторый сферическая волна, “свет-точечное отверстие”, как будто весь их световой поток исходит из один виртуальный пинхол; отверстие диаметром менее 500 нм. Ага, те конфокальные/концентрические резонаторные зеркала, используемые в лазерах? Этот означает, что «виртуальная дырочка» в реальном лазере — всего лишь не виртуальная, очень реальное изображение-обскуру, сидящее в пространстве между зеркалами. (Видеть диаграммы википедии для оптических резонаторов, http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity). И все те Полупроводниковые лазеры с параллельными зеркалами: они просто используют «бесконечный зеркальный туннель», чтобы поместить их точечный источник в виртуальную бесконечность расстояние, где он ведет себя так же, как свет от далекой звезды. Во время своего путешествия вниз по бесконечному туннелю, весь свет, не связанный с плоской волной, рассеивается стороны туннеля. Только свет плоской волны может сохраняться в туннеле и получить усиление. Итак… лазерная когерентность создается зеркалом-тоннелем. Не по прозрачности, или вынужденного излучения, или «наложенных синусоид». Другими словами, когерентность создается резонаторной полостью Фабри-Перо лазера, а не какой-либо боковой упаковкой длинных узких струнообразных «фотонов». И все вышеперечисленное означает, что теперь у нас есть простой интуитивно понятный картина лазерной когерентности. Что это такое? Когерентный лазерный свет просто точечный свет произведено бесконечный зеркальный туннель с усилением. Вроде как те эпохи диско зеркальные игрушки-бесконечности от Spencer Gifts. Но глубины их виртуального туннеля не было бы темно. При каждом отражении свет проходит через лазерную среду и становится немного ярче. И на каждом проход, “виртуальный источник” кажется дальше внутри туннеля. Просмотрено с конце каждый более глубокий сегмент «туннеля» выглядит немного ярче и меньше . .. и дальний конец туннеля выглядит как бесконечно яркий, бесконечно крошечная звезда. Если вы смотрите в глубины усиливающейся дискотеки Зеркало Бесконечности, «звезда» маленькая и достаточно яркая, чтобы пробить дыру через вашу сетчатку. И для этого даже не обязательно быть очень ярким! Лампа накаливания в сто ватт разрезает сетчатку не на кусочки, а четвертьваттный лазер может навсегда выжечь татуировку в задней части глаза. «Когерентный» также может означать «резкий при фокусировке», поскольку сфокусированный когерентный свет все должны сходиться в бесконечно малой точке. (Да, да, дифракция предел. Здесь мы говорим о простой идеализированной геометрической оптике.) Хорошо, если пространственно когерентный свет выглядит как расширяющееся яблочко, то что тогда? как выглядит НЕКОГЕРЕНТНЫЙ свет? На приведенной выше диаграмме 2А некогерентность вместо этого выглядело бы как несколько отверстий и пучков перекрывающихся яблочко. Много интерференционных картин и, вероятно, с узлами динамично крутится вокруг. Либо так, либо это будет выглядеть как фиг. 2б но пучками световых лучей из нескольких отверстий, и все лучи пересекаются друг друга по всему световому лучу. В обоих случаях, если неверный если бы свет был сфокусирован линзой, мы бы не производили никаких бесконечно крошечных горячих место. Не могу проделать отверстия в лезвиях бритвы. С нашим интуитивно понятным пониманием лазерной когерентности мы теперь можем составить базовый список когерентных источников света Источники в возрастающей согласованности Яркое облачное небо (наименее пространственно связное) Люминесцентная лампа Матовая лампа накаливания Солнце в ясную погоду Прозрачная лампа накаливания Прозрачная лампа накаливания без спирали накаливания (аквариумная лампа) Светодиод Электросварочная дуга на расстоянии 50 футов Лазер (длина когерентности в мм, до нескольких метров) Starlight (длина когерентности 1000 с км) Обратите внимание, что список также представляет собой список DEcreasing visible source-width, с облачное небо вверху и далекие звезды внизу. В детстве вы верили, что свет от ясных ламп накаливания лампочки были более волшебными, чем матовые? И свет гаража сварщиков было еще волшебнее еще? Если да, то вы интуитивно испытывают оптическую когерентность. Ваш маленький мозг хотел испортить вокруг с лазерными источниками, а не пасмурным дневным светом. Идеальный точечный источник дает совершенно когерентный свет, в то время как широкий рассеянный источник дает наименее когерентный свет. Поверни идею вспять: если мы начнем с совершенно когерентного лазерного излучения, но затем пропустим его через матовый экран, свет остается таким же монохромным, но становится бессвязный. Эй, я заметил, что мы действительно можем купить инкогерентизатор, ан оптоприбор для нашей оптической скамьи. Это просто вращающийся матовый экран с небольшим мотором (поскольку неподвижный матовый экран все же оставляет небольшой немного микромасштабной когерентности или «лазерного спекла») Рис. 4 Матовый экран делает свет некогерентным. НАСТОЯЩИЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЛУЧ СМЕРТИ И теперь у меня есть ответ на большой вопрос, который мучил меня в детстве. Несомненно, это придумали все противные маленькие мальчики-ученые вроде меня. Почему я не могу сделать источник света из лучей смерти? Я мог бы просто получить мой большой пластиковую линзу Френеля и сфокусировать солнечный свет, а затем как-то коллимировать его в луч полумм. Горящее пятно размером 0,50 мм появится в любом месте вдоль параллельный луч длиной в несколько миль. Напиши CHAIRFACE на чертовой луне! Но если мы думать об этом сейчас, оказывается, невозможно. Добавление дополнительных линз в наша солнечная печь просто создает проектор, в котором наш параллельный солнечный луч смерти расплывается и становится широким изображением солнца. Проклятое солнце не точечный источник. Никакой тонкий луч невозможен, если мы не включим десятый микрон отверстие в оптическом пути, и это превращает мощность в микроватты. Решение проблемы простое: ПРОСТО ЗАМЕНИТЕ СОЛНЦЕ НА 10KM WHITE КАРЛИКОВАЯ ЗВЕЗДА ХА ХААААА! Сохраняйте яркость солнца такой же, но уменьшайте солнце пока не появится в небе, как крошечная звезда, как чрезвычайно интенсивный определить. Теперь просто используйте любую большую линзу, чтобы собрать квадратный метр солнечного света, сфокусируйте его до 1 мм, затем наведите на него короткофокусный объектив с водяным охлаждением 1 мм. кварцевая линза, украденная из ультрафиолетового микроскопа. Да, весь аппарат еще проектор, но если мы спроецируем изображение точечного источника в расстояние, в результате получается интенсивный коллимированный пучок. Кроме немного дифракция должна работать отлично: несколько сотен ватт в параллельном пучке CW шириной 1 мм. Слайс-офф вам fingas! Уинстон Кок, один из первых специалистов по лазерам в Bell Labs, сказал, что лазер свет — это «более резкий свет», который можно использовать как режущий инструмент. Точно, точно! Уинстон Кок действительно понимает это. Но фактическая центральная концепция что когерентность или “свет-точечное отверстие” и есть вся причина “резкого света” который занимается лазерной резкой. Лазеры не особенно яркие. сто ваттные лампочки? Прожекторы мощностью 5000 Вт для школьных игр?? Или днем Солнечный лучик? Если бы наше Солнце было шириной 10 км или уменьшилось бы в 10 ^ 5 раз меньше в угол зрения, то его свет был бы пространственно когерентным, как лазеры, или как дуга электросварки, а взглянув вверх в течение дня, можно порезаться бороздки на нашей сетчатке. 2 = 1,5 мВт. ДОХ! НЕПРАВИЛЬНЫЙ! ХОРОШО, смотреть на солнечный свет белого карлика на самом деле было бы так же, как смотреть в дешевая лазерная указка. Эти вещи не становятся действительно опасными для человека глаза до примерно 5 мВт. Ага, но пользоваться биноклем было бы плохо, очень плохо: Выходная апертура в 5000 раз меньше, создавая параллельный луч 8 Вт на расстоянии 1 мм диаметр. Бинокль становится похож на ледоруб, нацеленный на ваши глазные яблоки. Последовательный свет может быть противным.
ПРИЛОЖЕНИЕ: Общая математическая теория частичной ЭМ когерентности Если бы вы прочитали первые абзацы здесь, вы бы знали, что эта статья описывает только пространственную когерентность, а не временную когерентность или монохроматический свет. (Важно! Не пропустите.) Кроме того, эта статья предназначена для широкой публики, а также учителя и учащиеся начальной школы. Так что никакой математики! Кроме того, это статья объясняет ИДЕАЛЬНУЮ когерентность: свет с идеальное пространственное когерентность. С другой стороны, Частичная пространственная когерентность — это совсем другое. котелок с рыбой, и почти непроницаем без обращения к алгебре и триггер Еще дальше: понятие математической «когерентности» вообще; в смесь пространственная и временная согласованность… нигде здесь не упоминается. Вместо этого я следую обычному различию, сделанному во вводных учебниках. В этих книгах совершенно когерентный свет объясняется отдельно от совершенно монохроматический свет (т. е. пространственная когерентность не зависит от времени). когерентность.) Здесь я игнорирую одночастотные волны, и только объясняю идеальный точечный свет, белый свет от апертур размером с длину волны. тоже не лечусь свет от расширенных диафрагм. Я объясняю свет издалека звезды, а не свет соседней Бетельгейзе. Другими словами, когда речь идет о детях и публике, термин «когерентный свет» имеет особое значение. Это не значит генерализованное когерентность. Вместо этого для широкой публики «когерентный свет» означает «световой идеальной пространственной когерентности», например, белый свет от идеальных отверстий. Но на университетском уровне дела обстоят совсем по-другому, где термин «Когерентность» означает общую теорию; математическое описание неидеальная частичная когерентность, сочетающая монохроматический свет с свет от протяженных источников без точечных отверстий. Общая теория когерентности не отделяет временную когерентность от пространственной. В “учебниках” когерентность совершенно неверная? Да: начальная школа учебники, учебники К-12. Также статьи, написанные для общественного потребления, они тоже ошибаются. Но учебники для колледжа, они в порядке. Они идут в строгие детали частичной когерентности и смеси пространственных и временная когерентность, и они не учат нас тому, что фотоны подобны маленькие синусоидальные волны, которые можно сложить вместе, как картонные коробки для яиц.

Когерентность, объяснение в Энциклопедии RP Photonics; когерентность, свет, пространственно-временная когерентность, монохроматичность

“> Дом	Викторина	Руководство покупателя
Поиск	Категории	Глоссарий	Реклама

Прожектор фотоники

“> Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска статьи по ключевому слову и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Список поставщиков устройств измерения когерентности

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Обратитесь в RP Photonics за советом относительно измерения и эффектов когерентности в оптических системах.

Когерентность — одно из наиболее важных понятий в оптике, тесно связанное со способностью света проявлять интерференционные эффекты. Световое поле называется когерентным , когда существует фиксированное фазовое соотношение между значениями электрического поля в разных местах или в разное время.

Частичная когерентность означает наличие некоторой (хотя и не идеальной) корреляции между значениями фаз. Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности, как описано ниже.

Также принято называть определенные процессы или методы согласованными или непоследовательными. В этом случае «когерентный» по существу означает фазочувствительный. Например, общий метод когерентного объединения лучей основан на взаимной когерентности лучей, тогда как спектральное (некогерентное) объединение лучей не зависит от взаимной когерентности лучей.

Пространственная и временная согласованность

Рисунок 1: Призма вставляется в пространственно когерентный лазерный луч, создавая интерференционную картину на экране.

Есть два очень разных аспекта когерентности:

• Пространственная когерентность означает сильную корреляцию (фиксированное фазовое соотношение) между электрическими полями в разных местах поперек профиля луча. Например, в поперечном сечении луча лазера с качеством луча, ограниченным дифракцией, электрические поля в разных положениях колеблются полностью коррелированным образом, даже если временная структура осложнена суперпозицией различных частотных компонентов. Пространственная когерентность является необходимым условием сильной направленности лазерных лучей.
• Временная когерентность означает сильную корреляцию между электрическими полями в одном месте, но в разное время. Например, выходной сигнал одночастотного лазера может демонстрировать очень высокую временную когерентность, поскольку электрическое поле изменяется во времени очень предсказуемым образом: оно демонстрирует чистые синусоидальные колебания в течение длительных периодов времени.

Рисунки 2–4 дополнительно иллюстрируют разницу между пространственной и временной когерентностью. Для справки, на рис. 2 показан монохроматический гауссов луч, демонстрирующий идеальную пространственную и временную когерентность.

Рисунок 2: Распределение электрического поля вокруг фокуса гауссова лазерного луча (идущего, например, с левой стороны) с идеальной пространственной и временной когерентностью.

На рис. 3 показан луч с высокой пространственной когерентностью, но плохой временной когерентностью. Волновые фронты формируются, как описано выше, и качество луча остается очень высоким, но амплитуда и фаза луча меняются в направлении распространения. Обратите внимание, что как локальная амплитуда, так и расстояние между волновыми фронтами в некоторой степени различаются. Такой луч может быть сгенерирован, например, на выходе источника суперконтинуума.

Рисунок 3: Лазерный луч с высокой пространственной когерентностью, но плохой временной когерентностью.

На рис. 4 показан лазерный луч с пониженной пространственной когерентностью, но с высокой временной когерентностью. Волновые фронты деформируются, что приводит к большой расходимости луча и плохому качеству луча. С другой стороны, пучок монохроматичен, так что расстояние между деформированными волновыми фронтами остается постоянным. Такой луч может исходить от одночастотного лазера, когда его выходной сигнал направляется через какой-либо оптически неоднородный материал.

Рисунок 4: Лазерный луч с плохой пространственной когерентностью, но высокой временной когерентностью.

Если лазерный луч с высокой пространственной когерентностью направляется через элемент оптического рассеивателя (например, очень неоднородный кусок стекла), который полностью искажает волновой фронт, результирующий искаженный луч, в принципе, все же может считаться пространственно когерентным, поскольку фаза соотношение между электрическими полями в разных точках будет по-прежнему фиксированным, пока искажения волнового фронта не изменятся со временем. Тогда в принципе можно было бы также восстановить простую форму пучка, применив другой оптический элемент, компенсирующий сложные пространственные искажения. Однако для большинства практических целей такой искаженный луч будет пространственно некогерентным. Тем не менее, реальное нарушение пространственной когерентности требует зависящих от времени искажений волнового фронта, что можно получить, например, с помощью вращающегося диффузора. В этом случае временная когерентность также несколько ухудшается, тогда как при использовании только стационарного диффузора она полностью сохранялась бы.

Когерентность лазерного излучения

Пространственная когерентность

Лазеры могут генерировать лучи (например, гауссовы лучи) с очень высокой пространственной когерентностью, и это, пожалуй, самое фундаментальное различие между лазерным излучением и излучением от других источников света. Высокая пространственная когерентность лазерного излучения возникает из-за существования мод резонатора, которые определяют пространственно коррелированные картины поля.

Временная когерентность

В ситуациях, когда только одна мода резонатора имеет достаточное усиление лазера для генерации, можно выбрать одну продольную моду, получая одночастотную работу с очень высоким временная когерентность. Используя дополнительные методы стабилизации частоты, можно значительно уменьшить ширину линии. Некоторые лазерные системы служат стандартами оптической частоты с шириной линии менее 1 Гц, что предполагает чрезвычайно высокую временную когерентность и длину когерентности в сотни тысяч километров.

С другой стороны, многие лазеры излучают в нескольких модах с существенно разными оптическими частотами, и их временная когерентность соответственно низка. Даже для одночастотных лазеров временная когерентность может быть слабой из-за сильного фазового шума. Это часто наблюдается, например, в лазерных диодах.

Особым случаем являются лазеры для ультракоротких импульсов, где связь между оптической полосой пропускания и временной когерентностью нетривиальна. Последовательность импульсов от лазера с синхронизацией мод может иметь широкую полосу пропускания, при этом спектр Фурье состоит из дискретных очень узких линий (→ частотные гребенки ). Временная когерентность может быть очень высокой в ​​том смысле, что существуют сильные корреляции полей для больших временных задержек, которые близки к целому кратному периоду импульса.

См. также обсуждение когерентности суперконтинуумов и статью о когерентности ультракоротких импульсов в Photonics Spotlight.

Количественная когерентность

Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности:

• Корреляционные функции определяют степень корреляции как функцию пространственного или временного расстояния. Существуют корреляционные функции разного порядка. Корреляционная функция первого порядка связана с оптическим спектром. Корреляционная функция второго порядка описывает корреляции интенсивности, то есть такие эффекты, как группировка фотонов или антигруппировка. Функции более высокого порядка описывают еще более тонкие детали.
• Время когерентности количественно определяет степень временной когерентности первого порядка через время, в течение которого когерентность теряется.
• Длина когерентности – это время когерентности, умноженное на скорость света в вакууме, и, таким образом, также характеризует временную (не пространственную!) когерентность через длину распространения (и, следовательно, время распространения), в течение которого когерентность теряется.
• Ширина линии одночастотного лазера также тесно связана с временной когерентностью: узкая ширина линии (высокая монохроматичность) означает высокую временную когерентность.
• Параметры видимости интерференции по существу определяют видимость (контрастность) интерференционной картины, генерируемой суперпозицией двух электрических полей.

Количественные характеристики когерентности могут быть получены в результате теоретических расчетов (с использованием статистических методов) или измерений. В большинстве случаев измерения связаны с какими-либо помехами. Например, можно измерить контраст интерференции как функцию разности длин пути, чтобы получить корреляционную функцию.

Важность согласованности в приложениях

Для некоторых приложений требуется лазерный свет с очень высокой пространственной и временной когерентностью. Это относится, например, ко многим вариациям интерферометрии, голографии и некоторым типам оптических датчиков (например, волоконно-оптическим датчикам). Такие особенности важны и для техники когерентного сложения пучков.

Для других применений когерентность используемого света должна быть как можно ниже. Например, для 9 требуется очень низкая временная когерентность (но в сочетании с высокой пространственной когерентностью).0310 оптическая когерентная томография , где изображения создаются с помощью интерферометрии, а высокое пространственное разрешение требует низкой временной когерентности. Подходящие источники света для таких приложений могут быть основаны на усиленном спонтанном излучении (ASE) от лазерного усилителя (→ суперлюминесцентные источники ) или на генерации суперконтинуума в нелинейных средах.

Низкая степень временной когерентности также может быть полезной для лазерных проекционных дисплеев, изображений и указателей, поскольку она снижает склонность к лазерным спеклам и подобным интерференционным эффектам.

Когерентность в квантовой оптике

В квантовой оптике термин когерентность часто используется для обозначения состояния светоизлучающих атомов или ионов. В этом случае когерентность относится к фазовому соотношению между комплексными амплитудами, соответствующими электронным состояниям. Это важно, например, для генерации без инверсии.

Существует также термин «когерентные состояния» светового поля, имеющий еще одно значение.

Поставщики

Руководство покупателя RP Photonics включает 2 поставщиков устройств для измерения когерентности. Среди них:

TOPTICA Photonics

Не существует универсальной методики измерения ширины лазерной линии или длины когерентности. Для разных режимов ширины линии используются разные установки. См. наши рекомендации по применению по вопросам согласованности.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. также: время когерентности, длина когерентности, монохроматический свет, оптическая фаза, лазерные лучи, качество луча, ширина линии, интерференция, лазерные спеклы, диффузоры, генерация суперконтинуума, объединение когерентных лучей, The Photonics Spotlight 2006-09-22, The Photonics Spotlight 22-04-2008, The Photonics Spotlight 23-06-2009
и другие статьи в категории общая оптика

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о согласованности 
 в разделе  
 RP Photonics Encyclopedia 

С предварительным изображением (см.