Coherence - một ... sóng ánh sáng kết hợp. sự kết hợp thời

Hãy xem xét một tuyên truyền sóng trong không gian. Coherence - một thước đo của sự tương quan giữa giai đoạn của nó, được đo ở các điểm khác nhau. Coherence sóng phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn của nó.

Có hai loại sự gắn kết

Chúng ta hãy xem xét một ví dụ đơn giản. Hãy tưởng tượng hai phao, phồng lên xẹp xuống trên mặt nước. Giả sử rằng nguồn sóng là cây gậy chỉ mà hài hoà đắm mình và ra khỏi nước phá vỡ bề mặt bình tĩnh của bề mặt nước. Như vậy có một tương quan hoàn hảo giữa phong trào của hai phao. Họ không thể di chuyển lên xuống một cách chính xác trong giai đoạn, khi một người đi lên, người kia xuống, nhưng sự lệch pha giữa các vị trí của hai phao là không đổi theo thời gian. Hài hoà nguồn điểm dao động tạo ra hoàn toàn sóng mạch lạc.

Khi mô tả sự gắn kết của các sóng ánh sáng, phân biệt hai loại của nó - không gian và thời gian.

Coherence đề cập đến khả năng của ánh sáng để tạo ra một hình ảnh giao thoa. Nếu hai sóng ánh sáng được mang lại với nhau, và họ không tạo ra các lĩnh vực tăng và giảm độ sáng, chúng được gọi là rời rạc. Nếu họ sản xuất "lý tưởng" hình ảnh giao thoa (theo nghĩa của khu vực giao thoa triệt tiêu hoàn toàn), họ hoàn toàn chặt chẽ. Nếu hai sóng tạo ra "ít hơn hoàn hảo" hình ảnh, nó được coi rằng họ là một phần mạch lạc.

Michelson giao thoa

Coherence - một hiện tượng được giải thích tốt nhất bằng một thử nghiệm.

Trong Michelson giao thoa ánh sáng từ nguồn S (có thể là bất kỳ: mặt trời, ngôi sao, hoặc laser) được định hướng vào một gương bán trong suốt M _0, đại diện cho 50% của ánh sáng đối với gương M ₁ và truyền 50% đối với gương M _2. Các tia phản xạ từ mỗi người trong số các gương trở lại M _0, và nhiều phần bằng nhau của ánh sáng phản xạ từ M ₁ và M _{2 được} kết hợp và chiếu lên một màn hình B. Thiết bị này có thể được cấu hình bằng cách thay đổi khoảng cách từ gương M ₁ tới splitter chùm.

Michelson giao thoa kế cơ bản pha trộn chùm với phiên bản thời gian trì hoãn của riêng mình. Ánh sáng đi trên đường đến gương M ₁ có để đi khoảng cách trên 2ngày hơn một chùm mà di chuyển gương M _2.

Chiều dài và gắn kết thời gian

Những gì được quan sát trên màn hình? Khi d = 0 có thể được nhìn thấy một số vân giao thoa rất rõ ràng. Khi d tăng lên, ban nhạc trở nên ít rõ rệt: những vùng tối trở nên sáng hơn, và ánh sáng - mờ. Cuối cùng, cho d rất lớn, vượt quá một giá trị quan trọng nhất định của D, ánh sáng và nhẫn tối biến mất hoàn toàn, chỉ để lại một vệt mờ.

Rõ ràng, trường ánh sáng không thể can thiệp với phiên bản thời gian trì hoãn của bản thân khi thời gian trễ là đủ lớn. Khỏang cách 2D - đó là chiều dài kết hợp: hiệu ứng giao thoa là đáng chú ý chỉ khi sự khác biệt trong cách ít hơn khoảng cách này. Giá trị này có thể được chuyển đổi trong t _c bộ phận của nó bằng vận tốc ánh sáng c: t _c = 2D / c.

Michelson thí nghiệm đo lường sự kết hợp thời của sóng ánh sáng: khả năng can thiệp vào một phiên bản chậm trễ của chính nó. Một cũng ổn định tia laser t _c = 10 ^-4 s, l _c = 30 km; ánh sáng được lọc từ nhiệt t _c = 10 ^-8, l _c = 3 m.

Coherence và thời gian

Thời sự gắn kết - một thước đo của sự tương quan giữa các giai đoạn của sóng ánh sáng tại các điểm khác nhau dọc theo hướng công tác tuyên truyền.

Giả sử nguồn phát ra một bước sóng λ và λ ± Δλ, mà tại một số điểm trong không gian sẽ gây trở ngại ở một khoảng cách l _c = λ ² / (2πΔλ). Trong trường hợp l _c - độ dài kết hợp.

Các giai đoạn của một tuyên truyền sóng theo hướng x được định nghĩa là f = kx - ωt. Nếu chúng ta xem xét sóng hình trong không gian tại thời điểm t ở một khoảng cách l _c, độ lệch pha giữa hai vectơ sóng k ₁ và k _2, đang trong giai đoạn tại x = 0 là bằng Δφ = l _c (k ₁ - k _2). Khi Δφ = 1, hoặc Δφ ~ 60 °, ánh sáng không còn mạch lạc. Giao thoa và nhiễu xạ có ảnh hưởng đáng kể đến độ tương phản.

Do đó:

• 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).

Sóng đi qua không gian với vận tốc c.

Thời gian gắn kết t _c = l _c / s. Kể từ = λf c, sau đó Δf / f = Δω / ω = Δλ / λ. Chúng ta có thể viết

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

Nếu một tiếng bước sóng hay tần số của công tác tuyên truyền của nguồn sáng, người ta có thể tính toán l _c và t _c. Nó là không thể để quan sát vân giao thoa thu được bằng cách chia biên độ, chẳng hạn như sự can thiệp màng mỏng, nếu sự chênh lệch con đường quang lớn hơn l _c đáng _kể.

nguồn gắn kết thời gian nói Đen.

Coherence và không gian

Không gian gắn kết - một thước đo của sự tương quan giữa các giai đoạn của sóng ánh sáng tại các điểm khác nhau ngang với hướng tuyên truyền.

Khi khoảng cách L từ (tuyến tính) nhiệt nguồn đơn sắc có kích thước của thứ tự của δ tuyến tính, hai khe cắm nằm ở một khoảng cách lớn hơn d _c = 0,16λL / δ, không còn tạo ra một hình ảnh giao thoa dễ nhận biết. πd _c ^2/4 là diện tích của nguồn mạch lạc.

Nếu tại thời điểm t thấy nguồn gốc của δ chiều rộng, xử lý vuông góc với khoảng cách L từ màn hình, màn hình có thể nhìn thấy hai điểm (P1 và P2), cách nhau bằng một khoảng cách d. Điện trường trong P1 và P2 đại diện cho chồng chất của điện trường của sóng phát ra bởi tất cả các điểm của nguồn, bức xạ mà không được kết nối với nhau. Để sóng điện từ thoát P1 và P2, tạo ra một hình ảnh giao thoa dễ nhận biết trong chồng chất P1 và P2 phải ở trong giai đoạn.

điều kiện gắn kết

Sóng ánh sáng phát ra bởi hai cạnh của nguồn, tại một số thời điểm t có một sự khác biệt giai đoạn nhất định trực tiếp ở trung tâm giữa hai điểm. Các tia phát ra từ cạnh trái của δ đến một P2 điểm để vượt qua trên d (sinθ) / 2 xa hơn chùm tia hướng về trung tâm. Quỹ đạo của chùm tia phát ra từ cạnh phải của δ chỉ P2, đi trên con đường d (sinθ) / 2 ít hơn. Sự khác biệt về khoảng cách di chuyển hai dầm là d · sinθ và đại diện cho độ lệch pha Δf '= 2πd · sinθ / λ. Đối với khoảng cách từ P1 đến P2 dọc theo phía trước sóng, chúng tôi có được Δφ = 2Δφ '= 4πd · sinθ / λ. Các sóng phát ra bởi hai cạnh của nguồn, đang trong giai đoạn với P1 tại thời điểm t và đang ra khỏi giai đoạn trong khu vực 4πdsinθ / λ trong P2. Kể từ sinθ ~ δ / (2L), sau đó Δφ = 2πdδ / (Lλ). Khi Δφ = Δφ ~ 1 hoặc 60 °, ánh sáng không còn được coi là chặt chẽ.

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

Sự gắn kết không gian của nói giai đoạn đầu sóng đồng nhất.

đèn sợi đốt là một ví dụ về nguồn sáng rời rạc.

ánh sáng kết hợp có thể được lấy từ một nguồn bức xạ rời rạc, nếu chúng ta loại bỏ hầu hết các bức xạ. Lọc không gian đầu tiên được thực hiện để tăng sự gắn kết không gian, và lọc sau đó quang phổ cho sự gắn kết thời gian lớn hơn.

chuỗi Fourier

sóng hình sin máy bay hoàn toàn chặt chẽ trong không gian và thời gian, và thời gian của thời gian và khu vực gắn kết vô tận. Tất cả các sóng thực sự là xung sóng kéo dài trong một khoảng thời gian hữu hạn, và có cuối vuông góc với hướng của họ về công tác tuyên truyền. Về mặt toán học, họ được mô tả bởi một hàm tuần. Để tìm các tần số xuất hiện trong các xung sóng và để xác định chiều dài gắn kết Δω cần phải phân tích các hàm không định kỳ.

Theo phân tích Fourier, một làn sóng định kỳ tùy ý có thể được coi là một sự chồng chất của sóng sin. Fourier tổng hợp có nghĩa là chồng của một đa số của sóng hình sin cho phép để có được một dạng sóng định kỳ tùy ý.

thống kê Truyền thông

lý thuyết gắn kết có thể được coi là kết nối vật lý và khoa học khác, vì nó là kết quả của một vụ sáp nhập của lý thuyết điện từ và thống kê, cũng như cơ học thống kê là sự kết hợp của các cơ chế thống kê. Lý thuyết được sử dụng để định lượng các đặc điểm và ảnh hưởng của biến động ngẫu nhiên trên hành vi của lĩnh vực ánh sáng.

Thông thường nó là không thể đo lường biến động của trường sóng trực tiếp. "Thăng trầm" Cá nhân ánh sáng nhìn thấy không thể phát hiện trực tiếp, hoặc thậm chí với các công cụ tinh vi: tần số của nó là khoảng ¹⁵ tháng 10 dao động trong một giây. Bạn chỉ có thể đo lường mức trung bình.

Áp dụng gắn kết

Kết nối vật lý và khoa học khác như một ví dụ về sự gắn kết có thể được truy trong một số ứng dụng. Nhiều lĩnh vực mạch lạc được ít bị ảnh hưởng bởi những biến động khí quyển, mà làm cho chúng hữu ích cho thông tin liên lạc laser. Họ cũng được sử dụng trong việc nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch laser gây ra: giảm hiệu ứng giao thoa dẫn đến "mịn" tác động của các tia trên các mục tiêu nhiệt hạch. Coherence được sử dụng đặc biệt để xác định kích thước và bố trí hệ thống nhị phân sao.

Coherence của sóng ánh sáng đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu lượng tử và các lĩnh vực cổ điển. Năm 2005, Roy J. Glauber đã trở thành một trong những người chiến thắng của giải Nobel Vật lý cho những đóng góp của ông cho lý thuyết lượng tử của sự gắn kết quang học.