Какие источники света являются когерентными

Какие условия необходимы для того, чтобы при наложении волн возникла интерференция?

В нашем случае это два условия:

1) колебания должны иметь постоянную разность фаз в течение всего времени наблюдения, при этом частоты интерферирующих волн должны быть одинаковы: w₁ = w₂;

2) векторы и должны быть одинаково направлены.

Волны, которые удовлетворяют этим условиям, называются когерентными волнами, а источники – когерентными источниками.

При сложении электромагнитных волн радиодиапазона, испущенных макроскопическими источниками – антеннами, проблемы когерентности не возникает: антенны просто должны удовлетворять этим двум условиям.

Наложение волн светового диапазона от любых двух источников света (кроме лазеров) не дает наблюдаемой интерференционной картины, так как эти источники всегда не когерентны. Если даже на два источника поставить одинаковые светофильтры и пропустить свет через поляризатор, чтобы сделать колебания E₁ и E₂ одинаково направленными, то интерференции света все равно не будет наблюдаться.

Это происходит потому, что источником света в действительном смысле этого слова является каждый отдельный атом. Любой технический источник света представляет собой на самом деле совокупность гигантского количества источников-атомов, которые постоянно «вспыхивают» и быстро «гаснут», причем случайным, не согласованным друг с другом образом. Время жизни такого источника-атома порядка 10 -8 с. За это время свет проходит путь около 300 см. Отрезок волны, испущенный за время излучения источника-атома, называют цугом волн.

Начальные фазы колебаний отдельных атомов полностью независимы, поэтому разность фаз для разных цугов волн не постоянна, она быстро и беспорядочно изменяется. Интерференционные приборы обладают инерционностью и, как правило, фиксируют среднюю амплитуду и интенсивность за время гораздо большее 10 -8 с, а для наблюдения интерференции необходимо, чтобы разность фаз исследуемых колебаний была постоянной в течение времени наблюдения.

Реальные источники света не являются строго монохроматическими и идеально точечными. Поэтому при описании явления интерференции используют понятия временной и пространственной когерентности. Временную когерентность связывают со степенью монохроматичности источника колебаний. Наименьший интервал времени, в течение которого фазу и амплитуду почти монохроматической волны можно считать постоянными, называют временем когерентности t_ког. Для обычных (не лазерных) источников t_ког равно по порядку величины 10 -9 –10 -10 с. Вводится понятие длины когерентности, т. е. расстояния, на которое распространяется волна за время когерентности, пока ее фаза и амплитуда оставались почти постоянными, эта величина обычно гораздо меньше 300 см.

Пространственную когерентность связывают с размерами реальных источников, с геометрией оптических схем, используемых для наблюдения интерференции.

Когерентные источники света. Условия усиления и ослабления волн.

Когерентные источники света – это источники, которые имеют постоянную во времени разность фаз, согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов, степень которых различна. Имеется много способов получения когерентных источников света, но суть их одинакова. С помощью разделения пучка на две части получают два мнимых источника света, дающих когерентные волны. Интерференция света – сложение двух или нескольких световых волн с одинаковыми периодами, сходящихся в одной точке, в результате которого наблюдается увеличение или уменьшение амплитуда результирующей волны. Для получения устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы складываемые волны были когерентны. Когерентными называют волны с одинаковой частотой (периодом) и постоянной во времени разностью фаз. Чтобы получить когерентные волны необходимо световую волну от одного источника разделить на две или несколько волн. После прохождения различных путей эти волны, имея некоторую разность хода, интерферируют. Приёмы разделения волны: · С помощью бипризмы Френеля Волна, идущая от источника света, раздваивается из-за преломления света в двух половинах бипризмы. Получаемы волны 1 и 2 как бы исходят от двух мнимых источников S1 и S2 и являются когерентными, поэтому в заштрихованной области наблюдается интерференция.· Опыт Юнга: Свет, проходящий через узкое отверстие S, падает на экран с двумя отверстиями S1 и S2 и делится на две когерентных волны, поэтому в заштрихованной области наблюдается интерференция, а на экране – интерференционная картина.

Интерференция света в тонких пленках. Просветление оптики.

§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн

Сложение волн, распространяющихся в среде, определяется сложением в разных точках пространства соответствующих колебаний. Наиболее простой случай сложения электромагнитных волн наблюдается тогда, когда их частоты одинаковы и направления электрических векторов совпадают. В этом случае амплитуду результирующей волны можно найти по формуле (5.30), которую для амплитуды напряженности электрического поля запишем в виде

(19.1)

где — разность фаз слагаемых волн (колебаний).

В зависимости от типа источников света результат сложения волн может быть принципиально различным.

Сначала рассмотрим сложение волн, идущих от обычных источников света (лампа, пламя, Солнце и т. п.). Каждый такой источник представляет совокупность огромного количества излучающих атомов. Отдельный атом излучает электромагнитную волну приблизительно в течение 10 -8 с, причем излучение есть событие случайное, поэтому и разность фаз в формуле (19.1) принимает случайные значения. При этом среднее по излучениям всех атомов значение cosравно нулю. Вместо (19.1) получаем усредненное равенство для тех точек пространства, где складываются две волны, идущие от двух обычных источников света:

(19.2)

Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды [см. (14.60)], то из (19.2) имеем условие сложения интенсивностей I₁иI₂волн:

(19.3)

Это означает, что для интенсивностей излучений, исходящих от двух (или более) обычных световых источников, выполняется достаточно простое правило сложения: интенсивность суммарного излучения равна сумме интенсивностей слагаемых волн. Это наблюдается в повседневной практике: освещенность от двух ламп равна сумме освещенностей, создаваемых каждой лампой в отдельности.

Если остается неизменной во времени, наблюдается интерференция света. Интенсивность результирующей волны принимает в разных точках пространства значения от минимального до некоторого максимального.

Интерференция света возникает от согласованных, когерентных источников, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз у слагаемых волн в различных точках. Волны, отвечающие этому условию, называюткогерентными.

Интерференция могла бы быть осуществлена от двух синусоидальных волн одинаковой частоты, однако на практике создать такие световые волны невозможно, поэтому когерентные волны получают, «расщепляя» световую волну, идущую от источника.

Такой способ применяется в методе Юнга. На пути сферической волны, идущей от источника S, устанавливается непрозрачная преграда с двумя щелями (рис. 19.1). Точки волновой поверхности, дошедшей до преграды, становятся центрами когерентных вторичных волн, поэтому щели можно рассматривать как когерентные источники. На экране Э наблюдается интерференция.

Рис. 19.1 Рис. 19.2

Другой метод заключается в получении мнимого изображения S’ источника S (рис. 19.2) с помощью зеркала (зеркало Ллойда). Источники S и S’ являются когерентными. Они создают условия для интерференции волн. На рисунке показаны два интерферирующих луча, попадающие в некоторую точку А экрана Э.

Так как время  излучения отдельного атома ограничено, то разность хода  лучей 1 и 2 при интерференции не должна быть слишком большой, в противном случае в точке А встретятся некогерентные волны. Наибольшее значение  для интерференции определяется через скорость света и время излучения атома:

 = с = 3 • 10 8 • 10 8 м = 3м. (19.4)

Реальные источники состоят из множества беспорядочно излучающих атомов, поэтому время  их согласованного излучения на много порядков меньше времени излучения  отдельного атома. Вследствие этого реальная разность хода  интерферирующих лучей должна быть на много порядков меньше, чем величина , определяемая формулой (19.4).

Расчет интерференционной картины можно сделать, используя формулу (19.1), если известны разность фаз интерферирующих волн и их амплитуды. Практический интерес представляют частные случаи: наибольшее усиление волн — максимум интенсивности (max), наибольшее ослабление — минимум интенсивности (mim).

тметим, что условия максимумов и минимумов интенсивностей удобнее выражать не через разность фаз, а через разность хода волн, так как пути, проходимые когерентными волнами при интерференции, обычно известны. Покажем это на примере интерференции плоских волн I и II, векторы которых перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 19.3).

Колебания векторов этих волн в некоторой точкеВ, удаленной на расстояния x_l и х₂ соответственно от каждого источника, происходят по гармоническому закону

(19.5)

Для общности вывода предположим, что волны распространяются в разных средах с показателями преломления п₁ и п₂. Скорости распространения волн соответственно равны ₁ = с/п₁ и ₂ = с/п₂, где с — скорость света в вакууме. Тогда из (19.5) следует выражение для разности фаз:

(19.6)

Так как длина волны в вакууме . = Тс, то вместо (19.6) имеем

(19.7)

Произведение геометрического пути волны на показатель преломления среды, т. е. хп, называют оптической длиной пути, а разность этих путей

_(19.8)

— оптической разностью хода волн.

На основании (19.7) и (19.8) получим связь между разностью фаз и оптической разностью хода интерферирующих волн:

_(19.9)

Используя законы сложения колебаний (см. § 5.3.) и соотношение (19.9), получаем условия максимума и минимума интенсивности света при интерференции — соответственно

(19.10)

(19.11)

где k = 0, 1, 2, . .

Следовательно, максимум при интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн (четному числу полуволн), минимум — в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.

(Физика) Какие источники света являются когерентными?

Когере́нтность — скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем.

Источник: Google

Добавлю, что в реальности когерентные источники — это один источник, свет которого оптически разделяется. А потом сводится.

Какие источники света являются когерентными