Когерентные волны света уже давно перестали быть уделом только физических лабораторий. Сегодня эти удивительные волны применяются повсеместно: в лазерных указках, при записи компакт-дисков, в волоконно-оптических линиях связи и даже в хирургических скальпелях. Но что же такое когерентность и как ее добиться?
Физические основы когерентности волн
Когерентными называются волны, у которых колебания в разных точках пространства и времени согласованы по фазе. Это означает, что если сравнить две когерентные волны в данный момент времени, то разность фаз между соответствующими точками остается постоянной. Благодаря такой упорядоченности когерентные волны демонстрируют устойчивые интерференционные картины при наложении друг на друга. Они также проявляют ярко выраженные дифракционные эффекты.
Важными характеристиками когерентности являются длина и время когерентности. Длина когерентности определяет то расстояние, на котором колебания волн остаются согласованными по фазе. Время когерентности показывает, как долго сохраняется фазовая корреляция в данной точке пространства.
Когерентные волны находят широкое применение в науке и технике. С их помощью создают лазеры, голографические изображения, волоконно-оптические линии связи, интерферометры для точных измерений и многое другое.
Естественные источники когерентного света
Хотя когерентность чаще всего ассоциируется с лазерами, существуют и естественные источники частично когерентного света. К ним относятся:
- Солнечный свет. Имеет ограниченную степень пространственной и временной когерентности, которой достаточно для наблюдения интерференционной картины.
- Газоразрядные лампы. Их свет более когерентен по сравнению с лампами накаливания благодаря упорядоченности движения электронов.
- Спонтанное излучение атомов. Волны, испускаемые отдельными атомами, когерентны, но их фазы не синхронизированы.
Однако у естественных источников есть ограничение - они излучают свет во всех направлениях. Чтобы получить интенсивный узкий пучок когерентных волн, нужны более совершенные методы.
Получение когерентности методом деления волн
Способы получения когерентных волн можно реализовать, разделив свет от одного источника на несколько пучков и заставив их интерферировать. Рассмотрим основные способы деления волн.
Классический опыт Юнга. Свет от узкой щели попадает на экран с двумя параллельными щелями и дает на новом экране интерференционную картину.
Способы получения когерентных волн можно реализовать с помощью бипризмы Френеля - двух призм, слепленных основаниями. Свет, проходя сквозь бипризму, делится на два когерентных пучка за счет преломления.
Когерентные волны можно получить, отразив луч света от двух близко расположенных зеркал. Эффективны также дифракционные решетки, разделяющие свет на несколько направлений.
Главное преимущество метода деления волн - простота реализации. Однако интенсивность получаемого излучения невелика.
Генерация когерентного излучения в лазерах
Лазеры позволяют получить интенсивный узкий пучок когерентного света благодаря принципу вынужденного излучения. В активной среде лазера (рубин, газ, полупроводник) создается инверсная населенность уровней атомов. При этом возникает лавинообразная генерация фотонов с одинаковыми фазами - происходит усиление когерентности.
Существует множество типов лазеров - газовые, волоконные, полупроводниковые, твердотельные. Но все они генерируют когерентный свет благодаря квантовым переходам в активной среде.
| Длина волны излучения | От долей нанометра до миллиметрового диапазона |
| Длительность импульсов | От наносекунд до постоянного режима |
Лазерные источники обеспечивают рекордную когерентность света и позволяют получать узкие пучки большой мощности. Это делает их незаменимыми во множестве областей науки и техники.
Другие методы получения когерентных волн
Помимо лазеров, существуют и другие способы генерации когерентного света, основанные на различных физических принципах. Рассмотрим их подробнее.
Волоконные лазеры
Способы получения когерентных волн реализуются в волоконных лазерах, использующих в качестве активной среды оптическое волокно, легированное редкоземельными ионами. Принцип работы аналогичен обычному лазеру, но конструкция позволяет получить компактный источник когерентного излучения.
Оптические усилители
Для получения интенсивных когерентных волн применяют оптические усилители. В них происходит усиление проходящего света за счет вынужденного излучения, как и в лазере. Но оптические усилители не имеют резонатора и поэтому генерируют только усиленную копию входного сигнала.
Синхронизация мод в лазере
Особым способом является синхронизация продольных мод в лазере с помощью активного или пассивного модулятора. Это позволяет получать сверхкороткие импульсы когерентного света длительностью в фемтосекунды.
Генерация гармоник
Когерентное излучение с удвоенной частотой (вторая гармоника) может быть получено в нелинейных кристаллах при прохождении через них мощного лазерного пучка. Этот метод используется для преобразования длины волны лазеров.
Перспективы создания новых когерентных источников
Несмотря на разнообразие существующих подходов, продолжаются активные исследования по созданию новых источников когерентного излучения. Одним из многообещающих направлений является использование квантовых точек в полупроводниковых лазерах. Квантовые точки позволяют генерировать свет в широком спектральном диапазоне при сохранении высокой когерентности.
Другая перспективная технология - это лазеры на свободных электронах, в которых когерентное излучение генерируется при движении ультрарелятивистских электронов в магнитном поле. Такие лазеры способны работать в рентгеновском диапазоне с предельно короткой длительностью импульсов.
Благодаря этим инновационным подходам, в будущем появятся новые источники сверхкогерентного излучения, которые откроют дополнительные возможности для науки и технологий.
