Coherència - A ... ones de llum coherent. coherència temporal

Penseu una ona que es propaga en l'espai. Coherència - una mesura de la correlació entre les seves fases, mesura en diferents punts. ona coherència depèn de les característiques de la seva font.

Hi ha dos tipus de coherència

Anem a considerar un exemple senzill. Imaginem 2 flotador, pujant i baixant a la superfície de l'aigua. Suposem que la font d'ona és l'únic pal que harmònicament submergeix i es retira d'aigua trencant calma superfície de la superfície de l'aigua. Així, hi ha una perfecta correlació entre els moviments dels dos flotadors. No es poden moure cap amunt i avall, precisament, en fase, quan un puja, l'altre baixa, però la diferència de fase entre les posicions dels dos flotadors és constant en el temps. Harmònicament font puntual oscil·lant produeix absolutament ona coherent.

En descriure la coherència de les ones de llum, distingir-ne els dos tipus - espacial i temporal.

La coherència es refereix a la capacitat de la llum per produir un patró d'interferència. Si dues ones de llum s'uneixen, i no creen àrees d'augment i disminució de brillantor, se'ls crida incoherent. Si es produeixen patró "ideal" interferència (en el sentit de les àrees completes interferència destructiva), que són totalment coherent. Si dues ones creen "menys que perfecte" d'imatge, es considera que són parcialment coherent.

interferòmetre de Michelson

Coherència - un fenomen que s'explica millor per un experiment.

En interferòmetre de Michelson la llum de la font S (que pot ser qualsevol de: el sol, estrelles, o làser) és dirigit sobre un mirall M semitransparent _0, que representa 50% de la llum cap al mirall M ₁ i transmet el 50% cap al mirall M _2. El feix es reflecteix des de cada un dels miralls de nou a M _0, i porcions iguals de la llum reflectida des de la M ₁ i M _{2 es} combinen i _es projecta sobre una pantalla B. El dispositiu es pot configurar canviant la distància des del mirall M ₁ al divisor de feix.

Interferòmetre de Michelson barreja essencialment la biga amb la versió retardada en el temps de la seva pròpia. Llum que passa en el camí cap al mirall M ₁ ha d'anar la distància en el 2D més d'un feix que es mou el mirall M _2.

El temps de durada i la coherència

El que s'observa a la pantalla? Quan d = 0 es pot veure una sèrie de franges d'interferència molt clares. Quan s'augmenta d, la banda es torna menys pronunciada: les àrees fosques es tornen més brillants, i la llum - atenuador. Finalment, per molt gran d, superior a un cert valor crític de D, la llum i les ulleres desapareixen per complet, deixant només una taca.

Òbviament, el camp de llum no pot interferir amb la versió retardada de la mateixa quan el retard de temps és prou gran. Distància 2D - és la longitud de coherència: els efectes d'interferència són perceptibles només quan la diferència en la forma en menys d'aquesta distància. Aquest valor es pot convertir durant t _c la seva divisió per la velocitat de la llum c: t _c = 2D / c.

experiment de Michelson mesura la coherència temporal de l'ona lluminosa: la seva capacitat per interferir amb una versió retardada de la mateixa. Un làser ben estabilitzat-t _c = 10 ^-4 s, l _c = 30 km; llum filtrada de la calor t _c = 10 ^-8, l _c = 3 m.

La coherència i l'hora

Temporal coherència - una mesura de correlació entre les fases de les ones de llum en diversos punts al llarg de la direcció de propagació.

font Suposem emet una longitud d'ona de λ i λ ± Δλ, que en algun punt en l'espai interfereixi a una distància l _c = λ ² / (2πΔλ). On L _c - longitud de coherència.

La fase d'una ona que es propaga en la direcció x es defineix com f = kx - omega t. Si considerem Figura ones en l'espai en el temps t, a una distància l _c, la diferència de fase entre els dos vectors d'ona k ₁ i k _2, que estan en fase en x = 0 és igual a Δφ = l _c (k ₁ - k _2). Quan Δφ = 1, o Δφ ~ 60 °, la llum ja no és coherent. La interferència i la difracció tenen un efecte significatiu en el contrast.

Per tant:

• 1 = l _c (k ₁ - _{k) 2 = l c (2π / λ} - 2π / (λ + Δλ));
• _{l c (λ + Δλ - λ} ) / (λ (λ + Δλ)) ~ l c Δλ / λ ² = 1 / 2π;
• l _c = λ ² / (2πΔλ).

L'ona passa a través de l'espai amb una velocitat c.

El temps de coherència t _c = l _c / s. Des λf = C, aleshores? F / f = Δω / ω = Δλ / λ. podem escriure

• l _c = λ ² / (2πΔλ) = λf / ( 2πΔf) = c / Δω;
• t _c = 1 / Δω.

Si un conegut longitud d'ona o la freqüència de la propagació de la font de llum, és possible calcular l _c i t _c. És impossible observar el patró d'interferència que s'obté dividint l'amplitud, com ara interferència de pel·lícula prima, si la diferència de camí òptic és significativament més gran que l _c.

font de coherència temporal diu Negre.

La coherència i l'espai

coherència espacial - una mesura de correlació entre les fases de les ones de llum en diferents punts transversals a la direcció de propagació.

Quan la distància L de la font monocromàtica tèrmic (lineal) les dimensions de l'ordre de δ lineal, les dues ranures situades a una distància més gran que d _c = 0,16λL / δ, ja no produir un patró d'interferència recognoscible. πd _c ^2/4 és l'àrea de la font de coherència.

Si en el moment t veure la font de δ amplada, disposat perpendicular distància L de la pantalla, la pantalla es poden veure els dos punts (P1 i P2), separades per una distància d. El camp elèctric en el P1 i P2 representa la superposició dels camps elèctrics de les ones emeses per tots els punts de la font, la radiació que no està connectat a l'altra. Per les ones electromagnètiques que surten de P1 i P2, la creació d'un patró d'interferència recognoscible en superposició P1 i P2 ha d'estar en fase.

condició de la coherència

Les ones de llum radiada per les dues vores de la font, en algun moment de temps t tenen una certa diferència de fase directament al centre entre dos punts. El feix procedent de la vora esquerra de δ a un punt P2 de transmetre d (sinθ) / 2 més enllà de la biga en direcció al centre. La trajectòria del feix procedent de la vora dreta de δ al punt P2, passa a d camí (sinθ) / 2 menys. La diferència en la distància recorreguda per dues bigues és d · sinθ i representa la diferència de fase? F '= 2πd · sinθ / λ. Per la distància de P1 a P2 al llarg del front d'ona, obtenim Δφ = 2Δφ '= 4πd · sinθ / λ. Les ones emeses per les dues vores de la font, estan en fase amb P1 en el temps t i estan fora de fase en la regió 4πdsinθ / λ en P2. Des sinθ ~ δ / (2 l), a continuació, Δφ = 2πdδ / (Lλ). Quan Δφ = Δφ ~ 1 o 60 °, la llum ja no es considera coherent.

Δφ = 1 -> d = Lλ / (2πδ) = 0,16 Lλ / δ.

La coherència espacial d'aquest homogeneïtat de fase de front d'ona.

llum incandescent és un exemple de font de llum incoherent.

llum coherent es pot obtenir d'una font de radiació incoherent, si descartem la major part de la radiació. La primera filtració espacial es porta a terme per augmentar la coherència espacial, i filtrat a continuació espectral per major coherència temporal.

les sèries de Fourier

ona sinusoïdal pla completament coherent en l'espai i el temps, i la seva longitud de temps i l'àrea de la coherència sense fi. Totes les ones reals són polsos d'ona de durada per a un interval de temps finit, i que té un extrem perpendicular a la seva direcció de propagació. Matemàticament, que són descrits per una funció periòdica. Per trobar les freqüències presents en els polsos d'ona i per determinar una longitud de coherència Δω necessita per analitzar funcions no periòdiques.

D'acord amb l'anàlisi de Fourier, una ona periòdica arbitrària pot ser considerada com una superposició d'ones sinusoïdals. la síntesi de Fourier vol dir que la superposició d'una pluralitat d'ones sinusoïdals permet obtenir una forma d'ona periòdica arbitrària.

estadístiques de comunicació

teoria de la coherència pot ser considerat com la connexió de la física i altres ciències, ja que és el resultat d'una fusió de la teoria electromagnètica i estadístiques, així com la mecànica estadística és la unió de la mecànica estadística. La teoria s'utilitza per quantificar les característiques i efectes de les fluctuacions aleatòries en el comportament dels camps de llum.

En general, és impossible mesurar les fluctuacions del camp de l'ona directa. "Alts i baixos" individuals llum visible no poden ser detectats directament, o fins i tot amb sofisticats instruments: la seva freqüència és d'aproximadament ^{15 d'octubre d'oscil·lacions} per segon. Només es poden mesurar les mitjanes.

Aplicació de coherència

Connexió de la física i altres ciències com un exemple de coherència es pot remuntar a un nombre d'aplicacions. Parcialment camps coherents són menys afectats per la turbulència atmosfèrica, el que els fa útils per a comunicacions per làser. També s'utilitzen en l'estudi de les reaccions de fusió induïts per làser: una reducció dels efectes d'interferència que condueixen a "allisar" l'acció de la biga en l'objectiu termonuclear. La coherència s'utilitza en particular per determinar la mida i l'assignació dels sistemes binaris d'estrelles.

Coherència de les ones de llum juga un paper important en l'estudi de camps quàntica i clàssica. El 2005, Roy J. Glauber es va convertir en un dels guanyadors del Premi Nobel de Física per la seva contribució a la teoria quàntica de la coherència òptica.