Параметры оптического излучения. Поляризация, монохроматичность и когерентность оптического излучения

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве.

Сопровождается чередованием максимумов и минимумов (пучностей) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг.) и Робертом Гуком (1635—1703 гг.),в 1801 году Томасом Юнгом (1773—1829 гг.).

В опыте пучок света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Этот опыт демонстрирует интерференцию света, что является доказательством волновой теории. Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Ниже рассматривается влияние ширины прорезей на интерференцию.

ДИФРАКЦИЯ

Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.

Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн).

ДИСПЕРСИЯ

Дисперсия (от лат. dispersio — рассеяние).

Диспе́рсия све́та (разложение, рассеяние света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Аберра́ция — отклонение от нормы; ошибки, нарушения, погрешности (лат. aberratio «уклонение, удаление, отвлечение», от лат. aberrare (лат. ab- «от» + лат. errare «блуждать, заблуждаться») — «удаляться, отклоняться»).

ПОЛЯРИЗАЦИЯ [лат. polarisatia — сдвиг к краю, смещение к полюсу]

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Чаще это ориентация вектора в пространстве (эллиптическая, круговая, линейная). У обычных оптических источников поляризация хаотичная (естественная), т.е. свет неполяризован. Частично линейно–поляризованный свет оценивают

степенью поляризации

, (1.6)

где – поляризованная составляющая интенсивности;– естественная составляющая интенсивности;,–показания фотоприемника при повороте анализатора, пропускающего линейно–поляризованную волну. Для эллиптической и круговой поляризаций необходимы две составляющиесо сдвигом фаз.

Когерентность – это согласованность протекания нескольких волновых процессов. Различают временную и пространственную когерентность.

Временная когерентность учитывает несинхронность колебаний отдельных атомов в источнике излучения. При этом фаза одной и той же световой волны в разные моменты времени, разделённые интервалом , будет изменяться по случайному закону. Степень временной когерентности оценивается как корреляция R() двух волн от одного источника, задержанных относительно друг друга на время  в одной и той же точке наблюдения

. (1.7)

Тогда результат сложения этих двух волн можно представить в виде

(1.8)

где – средняя частота. Значение, при которомназывается временем когерентности, а расстояние –длиной когерентности. Полная временная когерентность недостижима даже в лучших лазерах и исчезает, когда изменение фазы достигает. Мерой временной когерентности является монохроматичность излучения (ширина спектральной линии ), которая наблюдается в процессах дифракции и интерференции.

Пространственная когерентность.

Фаза волны изменяется не только вдоль направления распространения, но и в плоскости, перпендикулярной к этому направлению (рис.1.4).

Рис.1.4. К определению пространственной когерентности

Степень пространственной когерентности оценивается, как корреляция двух волн в фиксированный момент времени, приходящих в две точки в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, на расстоянии l

. (1.9)

Значение , при которомопределяет круг диаметромd. Иногда оперируют конусом с углом вершины . Мерой пространственной когерентности является расходимость (направленность) пучка.

Для полностью когерентного излучения дифракционная расходимость составляет (предельное значение), а при частичной когерентности расходимость увеличивается. Можно выделить также объём когерентности , в котором степень когерентности не менее 0,5.