Когерентность и монохроматичность световых волн

Интерференцию света можно объяснить рассматривая интерференцию волн (см. § 156). Необходимым условием интер­ференции волн является их когерентность, т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические во­лны — неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго по­стоянной частоты. Так как ни один реаль­ный источник не дает строго монохромати­ческого света, то волны, излучаемые лю­быми независимыми источниками света, всегда некогерентны. Поэтому на опыте не наблюдается интерференция света от не­зависимых источников, например от двух электрических лампочек.

Понять физическую причину немоно­хроматичности, а следовательно, и некоге­рентности, волн, испускаемых двумя неза­висимыми источниками света, можно исхо­дя из самого механизма испускания света атомами. В двух самостоятельных источ­никах света атомы излучают независимо друг от друга. В каждом из таких атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (t»!0^-8с). За это время возбужденный атом возвращается в нор­мальное состояние и излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с новой начальной фазой. Так как разность фаз между излучением двух та­ких независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, то волны, спонтанно излучаемые атомами любого

источника света, некогерентны. Таким об­разом, волны, испускаемые атомами, лишь в течение интервала времени»10^-8с имеют приблизительно постоянные ампли­туду и фазу колебаний, тогда как за боль­ший промежуток времени и амплитуда, и фаза изменяются. Прерывистое излуче­ние света атомами в виде отдельных ко­ротких импульсов называется волновым цугом.

Описанная модель испускания света справедлива и для любого макроскопиче­ского источника, так как атомы светяще­гося тела излучают свет также независимо друг от друга. Это означает, что началь­ные фазы соответствующих им волновых цугов не связаны между собой. Помимо этого, даже для одного и того же атома начальные фазы разных цугов отличаются для двух последующих актов излуче­ния. Следовательно, свет, испускаемый макроскопическим источником, некогерен­тен.

Любой немонохроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гар­монических цугов. Средняя продолжитель­ность одного цуга t_ког называется време­нем когерентности. Когерентность су­ществует только в пределах одного цуга, и время когерентности не может превы­шать время излучения, т. е. t_ког<t. При­бор обнаружит четкую интерференцион­ную картину лишь тогда, когда время раз­решения прибора значительно меньше времени когерентности накладываемых световых волн.

Если волна распространяется в одно­родной среде, то фаза колебаний в опреде­ленной точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности t_ког. За это время волна распространяется в вакууме на расстояние l _ког=сt_ког, на­зываемое длиной когерентности (или дли­ной цуга). Таким образом, длина коге­рентности есть расстояние, при прохожде­нии которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следу­ет, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины когерентности для используемого источника света.

Чем ближе волна к монохроматиче­ской, тем меньше ширина Dw спектра ее частот и, как можно показать, больше ее время когерентности t_ког, а следователь­но, и длина когерентности l _ког. Когерент­ность колебаний, которые совершаются в одной и той же точке пространства, опре­деляемая степенью монохроматичности волн, называется временной когерент­ностью.

Наряду с временной когерентностью, для описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направле­нию их распространения, вводится поня­тие пространственной когерентности. Два источника, размеры и взаимное располо­жение которых позволяют (при необходи­мой степени монохроматичности света) наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными. Радиусом когерентности (или длиной пространствен­ной когерентности) называется макси­мальное поперечное направлению распро­странения волны расстояние, на котором возможно проявление интерференции. Та­ким образом, пространственная когерен­тность определяется радиусом когерен­тности.

Радиус когерентности

r_ког~l/j.

где l — длина световых волн, j — угловой размер источника. Так, минимально воз­можный радиус когерентности для солнеч­ных лучей (при угловом размере Солнца на Земле j»10^-2рад и l»0,5 мкм) со­ставляет»0,05 мм. При таком малом ра­диусе когерентности невозможно непо­средственно наблюдать интерференцию солнечных лучей, поскольку разрешающая способность человеческого глаза на рас­стоянии наилучшего зрения составляет лишь 0,1 мм. Отметим, что первое наблю­дение интерференции провел в 1802 г. Т. Юнг именно с солнечным светом, для чего он предварительно пропускал солнеч­ные лучи через очень малое отверстие в не­прозрачном экране (при этом на несколь­ко порядков уменьшался угловой размер источника света и тем самым резко увели­чивался радиус когерентности (или дли­на пространственной когерентности)).