Тимчасова та просторова когерентність електромагнітних хвиль

Важливою властивістю двох одночасно протікаючих хвильових процесів є їх когерентність.

За визначенням когерентністю двох хвильових процесів називається їх узгоджене перебіг. Відповідно до цього визначення дві монохроматичні хвилі однієї частоти завжди будуть когерентними. Інший приклад когерентних хвиль представлений на рис. 4.4, зображає дві хвилі від одного джерела монохроматичних коливань, одна з яких від джерела поширюється в точку спостереження за прямим шляху, а друга після відбиття від кордону розділу. Узгодженість коливань двох хвиль у точці спостереження обумовлена ??тим, що вони випромінюються одним джерелом. Якщо помістити на шляху поширення цих хвиль екран, то на ньому, за певних умов про які буде сказано нижче, буде можна спостерігати інтерференційну картину, яка представлятиме собою чергування темних і світлих смуг.

Отже, узгодженість протікання двох хвильових процесів пов’язується з можливістю спостерігати їх интерференционную картину хвиль, випромінюваних їх джерелами. З іншого боку, як ми встановили вище, при спостереженні інтерференції в кожній точці екрану, за допомогою якого вона спостерігається, різниця фаз повинна мати певне значення і не змінюватися з часом. Припустимо, що різниця фаз коливань интерферирующих джерел хвиль змінюється з часом. Для визначеності будемо вважати, що вона збільшується пропорційно часу. Тоді в точці екрана, де в якийсь момент часу спостерігався інтерференційний максимум, з часів різниця фаз змінить своє значення за деякий проміжок часу і в цій точці виявиться виконаним умова мінімуму інтерференційної картини. В результаті залежності різниці фаз коливань интерферирующих джерел від часу їх інтерференційна картина буде змінюватися в часі, тобто. Е. Буде стабільною. Це може ускладнити спостереження інтерференції хвиль джерел, а в ряді випадків спостереження інтерференції взагалі може стати неможливим.

У зв’язку з цією обставиною розглядається час когерентності. Час когерентності враховує той факт, що реально середня різниця фаз може залежати від часу. Оскільки когерентність двох хвиль пов’язується з можливістю спостереження інтерференційної картини, то під часом когерентності розуміється час, протягом якого інтерференційна картина цих хвиль може спостерігатися. Звичайно, можливість спостереження інтерференційної картини є суб’єктивним фактором. Однак, вище ми розглянули поняття видности інтерференційної картини (4.5). Видність інтерференційної картини відмінна від нуля при відмінності інтенсивностей її максимумів і мінімумів. Чим більше ця різниця, тим краще видно інтерференційна картина. Інтерференційна картина не видна, коли інтенсивність її максимумів збігається з інтенсивністю мінімумів. При цьому інтерференційна картина як би ‘руйнується’. Спрощено це можна представити за допомогою накладення максимумів однієї інтерференційної картини на мінімуми інший (рис. 4.7). Поява другої інтерференційної картини випливає з того факту, що спостерігається інтерференція двох цугов хвиль, кожен з яких в залежності від тривалості цуга можна представити у вигляді суперпозиції тієї чи іншої кількості плоских електромагнітних хвиль. З цієї причини на екрані спостерігається одночасно інтерференція всіляких пар монохроматичних складових цугов хвиль. Для спрощення якісних міркувань розглядається тільки одна з можливих пар монохроматичних складових для розуміння ефекту руйнування інтерференційної картини.

Чим менше кутовий розмір джерела світла, тим більше радіус просторової когерентності випромінюваного ним світла. Зокрема світло, що випромінюється такими природними джерелами, як зірки з малими кутовими розмірами (ob® 0, незважаючи на їх гігантські розміри, на великих відстанях може мати значення радіуса просторової когерентності у багато разів більше, ніж розраховане для Сонця. Для випромінювання лазерів, що є штучними джерелами когерентного випромінювання, характерні значення радіуса просторової когерентності випромінювання у багато разів перевищують значення, характерні для природних джерел, завдяки спеціальним способам формування вихідного пучка випромінюваних світлових хвиль, що має малу кутову розбіжність (). Застосування світлових джерел з великим значенням радіусу просторової когерентності, в Зокрема лазерів, дозволяє спостерігати інтерференцію світла в досвіді Юнга без використання додаткового екрану з малим отвором.

Посилання на основну публікацію