Kepaduan - a ... gelombang cahaya yang masuk akal. kepaduan duniawi

Mempertimbangkan pembiakan gelombang di angkasa. Kepaduan - ukuran korelasi antara fasa-fasanya, diukur pada mata yang berbeza. Kepaduan gelombang bergantung kepada ciri-ciri sumbernya.

Dua jenis kepaduan

Mari kita mempertimbangkan contoh yang mudah. Bayangkan dua apungan, semakin meningkat dan jatuh di permukaan air. Menganggap bahawa sumber gelombang adalah satu-satunya kayu yang harmonik tenggelam dan dikeluarkan daripada air pecah permukaan tenang permukaan air. Oleh itu terdapat hubungan yang sempurna antara pergerakan dua pelampung. Mereka tidak boleh bergerak ke atas dan ke bawah dengan tepat dalam fasa, apabila satu naik, satu lagi turun, tetapi perbezaan fasa di antara posisi dua pelampung adalah tetap dalam masa. Harmonik sumber titik berayun menghasilkan benar-benar gelombang koheren.

Apabila menerangkan kepaduan gelombang cahaya, membezakan dua jenis yang - ruang dan masa.

Kepaduan merujuk kepada keupayaan cahaya untuk menghasilkan corak gangguan. Jika dua gelombang cahaya yang dibawa bersama-sama, dan mereka tidak mewujudkan kawasan-kawasan yang meningkat dan menurun kecerahan, mereka dipanggil tidak keruan. Jika mereka menghasilkan corak gangguan "ideal" (dalam erti kawasan gangguan yang merosakkan lengkap), mereka yang masuk akal sepenuhnya. Jika dua gelombang mewujudkan "tidak sempurna" picture, ia dianggap bahawa mereka adalah sebahagian koheren.

Michelson interferometer

Kepaduan - satu fenomena yang dapat dijelaskan oleh satu eksperimen.

Dalam Michelson interferometer cahaya dari sumber S (yang boleh menjadi mana-mana: matahari, bintang, atau laser) diarahkan ke satu setengah tembus terang cermin M _0, yang mewakili 50% daripada cahaya ke arah cermin M ₁ dan menghantar 50% ke arah cermin M _2. rasuk terpancar dari setiap cermin kembali ke M _0, dan bahagian yang sama cahaya terpancar dari M ₁ dan M _{2 digabungkan} dan diunjurkan ke B. skrin peranti boleh dikonfigurasikan dengan menukar jarak dari cermin M ₁ ke splitter rasuk.

Michelson interferometer dasarnya bercampur rasuk dengan versi masa tertangguh sendiri. Cahaya yang berlalu dalam perjalanan ke cermin M ₁ mempunyai untuk pergi jauh di 2d lebih daripada satu rasuk yang bergerak cermin M _2.

Panjang dan kepaduan masa

Apa yang diperhatikan pada skrin? Apabila d = 0 boleh dilihat beberapa pinggir gangguan sangat jelas. Apabila d bertambah, band ini menjadi kurang ketara: kawasan gelap menjadi cerah, dan cahaya - malap. Akhir sekali, bagi d sangat besar, melebihi nilai kritikal tertentu D, lampu dan cincin gelap hilang sepenuhnya, meninggalkan hanya kabur.

Jelas sekali, medan cahaya tidak boleh campur tangan dengan versi masa tertangguh dengan sendirinya apabila kelewatan masa yang cukup besar. Jarak 2D - ia adalah panjang kepaduan: kesan gangguan yang ketara hanya apabila perbezaan dengan cara yang kurang daripada jarak ini. Nilai ini boleh ditukar semasa t _c pembahagiannya oleh kelajuan cahaya c: t _c = 2D / c.

Michelson eksperimen mengukur kepaduan duniawi gelombang cahaya: keupayaan untuk mengganggu versi yang lambat sendirinya. A yang stabil laser t _c = 10 ^-4 s, l _c = 30 km; ditapis cahaya dari panas t _c = 10 ^-8, l _c = 3 m.

Kepaduan dan masa

kepaduan Temporal - ukuran korelasi antara fasa gelombang cahaya di beberapa tempat sepanjang arah perambatan.

Menganggap sumber memancarkan panjang gelombang λ dan λ ± Δλ, yang pada satu ketika dalam ruang akan campur tangan pada jarak l _c = λ ² / (2πΔλ). Di mana l _c - panjang kepaduan.

Fasa yang menyebarkan gelombang dalam arah x ditakrifkan sebagai = f kx - ωt. Jika kita mengambil kira gelombang Rajah di angkasa lepas pada masa t pada jarak l _c, perbezaan fasa di antara dua vektor gelombang k ₁ dan k _2, yang berada di dalam fasa pada x = 0 adalah sama dengan Δφ = l _c (k ₁ - k _2). Apabila Δφ = 1, atau Δφ ~ 60 °, cahaya itu tidak lagi masuk akal. Gangguan dan pembelauan mempunyai kesan yang besar ke atas kontras.

Oleh itu:

• 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).

Gelombang yang melalui ruang dengan halaju c.

Kepaduan masa t _c = l _c / s. Sejak λf = c, maka Δf / f = Δω / ω = Δλ / λ. Kita boleh menulis

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

Jika yang dikenali panjang gelombang atau kekerapan penyebaran sumber cahaya, ia adalah mungkin untuk mengira l _c dan t _c. Ia adalah mustahil untuk melihat corak gangguan yang diperolehi dengan membahagikan amplitud, seperti gangguan filem nipis, jika perbezaan jalan optik adalah lebih besar daripada l _c.

sumber kepaduan Temporal kata Black.

Kepaduan dan ruang

kepaduan Spatial - ukuran korelasi antara fasa gelombang cahaya di tempat yang berlainan melintang dengan arah perambatan.

Apabila L jarak dari haba sumber monokromatik (linear) yang dimensi perintah δ linear, dua slot terletak pada jarak yang lebih besar daripada d _c = 0,16λL / δ, tidak lagi menghasilkan corak gangguan yang dikenali. πd _c ^2/4 adalah kawasan sumber kepaduan.

Jika pada masa t melihat sumber δ lebar, dilupuskan serenjang jarak L dari skrin, skrin boleh melihat kedua-dua mata (P1 dan P2), dipisahkan oleh jarak d. Medan elektrik di P1 dan P2 mewakili tindihan bidang elektrik daripada gelombang yang dipancarkan oleh semua mata sumber, sinaran yang tidak berkaitan antara satu sama lain. Untuk gelombang elektromagnet keluar P1 dan P2, membuat corak gangguan dikenali di tindihan P1 dan P2 seharusnya berada di dalam fasa.

keadaan kepaduan

gelombang cahaya dipancarkan oleh kedua-dua tepi sumber, pada satu ketika dalam masa t mempunyai perbezaan fasa tertentu secara langsung di tengah-tengah antara dua titik. Rasuk yang datang dari tepi kiri δ hingga titik P2 sampaikan d (sinθ) / 2 lebih jauh daripada rasuk menuju ke pusat. Trajektori rasuk yang datang dari tepi kanan δ untuk menunjukkan P2, pas di jalan d (sinθ) / 2 kurang. Perbezaan dalam jarak perjalanan selama dua rasuk adalah d · sinθ dan mewakili perbezaan fasa Δf '= 2πd · sinθ / λ. Untuk jarak dari P1 ke P2 sepanjang hadapan gelombang, kita mendapatkan Δφ = 2Δφ '= 4πd · sinθ / λ. Gelombang yang dipancarkan oleh kedua-dua tepi sumber, berada dalam fasa dengan P1 pada masa t dan berada di luar fasa di rantau ini 4πdsinθ / λ di P2. Sejak sinθ ~ δ / (2L), maka Δφ = 2πdδ / (Lλ). Apabila Δφ = Δφ ~ 1 atau 60 °, cahaya yang tidak lagi dianggap masuk akal.

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

Kepaduan ruang berkata kehomogenan fasa wavefront.

lampu pijar adalah contoh sumber cahaya tidak keruan.

cahaya koheren boleh diperolehi dari sumber sinaran tidak keruan, jika kita membuang sebahagian besar daripada radiasi. Penapisan spatial pertama dilakukan untuk meningkatkan kepaduan spatial, dan penapisan kemudian spektrum untuk kepaduan duniawi lebih besar.

siri Fourier

gelombang sinusoidal pesawat sepenuhnya koheren dalam ruang dan masa, dan panjangnya masa dan kawasan kepaduan yang tidak berkesudahan. Semua gelombang sebenar adalah denyutan gelombang yang berlanjutan bagi tempoh masa yang terhad, dan mempunyai akhir berserenjang dengan arah mereka pembiakan. Secara matematik, mereka digambarkan oleh fungsi berkala. Untuk mencari frekuensi di dalam denyutan gelombang dan untuk menentukan panjang kepaduan Δω perlu menganalisis fungsi tidak berkala.

Menurut analisis Fourier, gelombang berkala sewenang-wenangnya boleh dianggap sebagai tindihan gelombang sinus. Fourier sintesis bermakna tindihan kejamakan gelombang sinusoidal membolehkan untuk mendapatkan bentuk gelombang berkala sewenang-wenangnya.

statistik komunikasi

teori kepaduan boleh dianggap sebagai sambungan fizik dan ilmu-ilmu lain, kerana ia adalah hasil daripada penggabungan teori elektromagnet dan statistik, serta mekanik statistik adalah kesatuan statistik mekanik. Teori ini digunakan untuk mengukur ciri-ciri dan kesan turun naik secara rawak ke atas tingkah laku bidang cahaya.

Biasanya ia adalah mustahil untuk mengukur turun naik medan gelombang langsung. Individu "turun naik" cahaya yang boleh dilihat tidak boleh dikesan secara langsung, atau dengan alat-alat canggih: kekerapan adalah lebih kurang ¹⁵ Okt ayunan sesaat. Anda hanya boleh mengukur purata.

Permohonan kepaduan

Berkaitan fizik dan ilmu-ilmu lain sebagai contoh kepaduan dapat dikesan dalam beberapa aplikasi. Sebahagiannya telah disiapkan koheren kurang terjejas oleh pergolakan atmosfera, yang menjadikan mereka berguna untuk komunikasi laser. Ia juga digunakan dalam kajian tindak balas pelakuran laser yang disebabkan oleh: a pengurangan kesan gangguan yang membawa kepada "licin" tindakan rasuk pada sasaran termonuklear. Kepaduan digunakan khususnya untuk menentukan saiz dan pengagihan sistem binari bintang.

Kepaduan gelombang cahaya memainkan peranan yang penting dalam kajian kuantum dan bidang-bidang klasik. Pada tahun 2005, Roy J. Glauber menjadi salah satu pemenang Hadiah Nobel dalam Fizik kerana sumbangannya kepada teori kuantum kepaduan optik.