1.2. Спектр электромагнитных волн

По современным представлениям классической физики свет представляет собой электромагнитные волны определенного диапазона длин волн или частот, называемого оптическим. Границы оптического диапазона определяются условно примерно от долей миллиметра до десятков нанометров (границы этого диапазона по частоте: от десятков ТГц до десятков тысяч ТГц или десятков ПГц).Видимый свет – это узкая спектральная область на шкале электро-магнитных волн.

На рис.1 приведен спектр электромагнитных волн.

Световые волны отличаются от радиоволн в принципе только одним – частотой (в оптике вместо частоты  чаще используется длина волны =с/, с – скорость света в вакууме).

Однако по своим физическим свойствам и характеру распространения в пространстве световые и радиоволны существенно различаются, из чего вытекают технологические отличия лазеров от их аналогов в радиодиапазоне - мазеров.

Рис.1.1 Спектр электромагнитных волн

1.3. Световые волны от двух типов источников световых волн

Световые волны, генерируемые лазерами-генераторами.

Главное свойство – отсутствие амплитудной модуляции.

В классической оптике существуют строго гармонические световые волны, характеризующиеся строго постоянным значением мощности:

(1.1.49)

С точки зрения квантовой механики распределение (1.1.49) должно быть заменено на распределение числа фотонов в моде.

Как было впервые показано Глаубером классической монохроматической волне соответствует квантовомеханическое когерентное или Глауберово состояние. Вероятность обнаружить фотонов в моде в случае ее когерентного состояния определяется распределением Пуассона с параметром , равным среднему числу фотонов ( ):

(1.1.50)

Рис. х. Вероятность обнаружить m фотонов при среднем количестве фотонов 10 для трех видо статистики излучения: вынужденное излучение от лазеров-генераторов (синие крестики) и хаотическое спонтанное излучение при классическом описании (коричневые круги) и при квантовом описании (бордовые квадраты на голубой линиии)

Световые волны от УСИ или от тепловых источников.

Классическое выражение для плотности распределения мощности теплового излучения:

Квантовое выражение для плотности распределения мощности теплового излучения:

Классическое распределение мощности – экспоненциальное и означает, что наиболее вероятное значение мощности = 0 и, главное, что среднеквадратичное отклонение мощности от среднего равно среднему значению.

Статистика не задает темп изменения во времени!!!

Но для анализа статистики важно как меняется мощность во времени: выборки должны делаться за время, меньшее времени декорреляции (время существования одной выборки).

Простая оценка: .

Почему мы обычно не замечаем этих флуктуаций?

Потому, что они происходят очень быстро. Время выборки намного больше времени декореляции. При регистрации света мы усредняем колебания в течении некоторого времени или, иными словами, фильтруем высокочастотные компоненты при помощи фильтра с полосой :

SNR фотоэлектрического сигнала

Отношение мощности сигнала к мощности шума (SNR) электрического сигнала, формирующегося фотодетектором при приеме неполяризованного излучения от теплового источника, в частности источником УСИ, определяется следующим выражением:

, где – среднее значение тока, – ширина полосы фотоприемника, – ширина полосы излучения источника света. Первый член в знаменателе олпределяется вкладом шума Шоттки (мощность шума Шоттки ). Второй член пропорционален избыточному шуму теплового источника (характерен для всех источников спонтанного излучения). Природа избыточных шумов – биения между Фурье-компонентами широкого оптического спектра сигнала. Если спектр источника достаточно широк ( >> ), то SNR определяется шумом Шоттки, в противоположном случае – шумами биений. Во втором случае . Таким образом, отношение сигнал-шум пропорционально ширине полосы источника и не зависит от тока фотоприемника. Иными словами, при использовании узкополосного теплового источника увеличить отношение сигнал-шум увеличением мощности сигнала невозможно. Приведенные формулы справедливы для всех видов источников излучения на основе спонтанного излучения.