1 Когерентность оптического излучения

1. Монохроматическая электромагнитная волна (мэв)

Идеальная МЭВ понимается как бесконечная в пространстве и времени волна, имеющая постоянную циклическую частоту w. Такой волне соответствует уравнение , где– напряженность электрической компоненты поля волны в точке с координатой х,_O – амплитуда вектора напряженности, t – время работы излучателя волны, – модуль волнового вектора,l – длина волны. Вид функции ¦ определяется режимом работы излучателя МЭВ.

1.2 Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (уф), видимом и инфракрасном (ик) диапазонах

Современная оптоэлектроника использует в качестве источников излучения полупроводниковые, твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ). Излучателями света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны атомов (газовые ОКГ), либо электроны проводимости (полупроводниковые ОКГ). В первом случае, переход валентного электрона из возбужденного состояния в невозбужденное сопровождается излучением фотона с энергией , гдеh – постоянная Планка, а n – частота соответствующей фотону микроволны. Во втором случае, излучение фотона происходит в процессе рекомбинации электрона проводимости с дыркой, расположенной в валентной зоне. В обоих случаях время перехода электрона из возбужденного состояния в невозбужденное конечно и составляет величину с. Время излучения фотона в процессе указанного перехода много меньше, чеми составляет величинус, дляl = 1,5 мкм. Условное соотношение между ипоказано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Поле фотона

За время излучается множество фотоновN_Ф, которое определяется количеством возбужденных электронов в газе или твердом теле. Всегда найдутся фотоны, имеющие одинаковую частоту n, с которой изменяется их поле . Последовательность таких фотонов образует волновой цуг, показанный на рисунке 1.2 .

Рисунок 1.2 – Волновой цуг

Нетрудно видеть, что согласно рисунку 1.2, время самовоспроизведения фотона одного порядка с периодомвозникшей электромагнитной волны. Любой ОКГ за время(рисунок 1.2) излучает не единственный цуг, а множество цугов с незначительно отличающимися частотами. Накладываясь во времени и пространстве, цуги образуют волновой пакет. Внутри волнового пакета цуги интерферируют. В результате интерференции возникают биения векторов, как результат сложения колебаний с близкими частотами. Заметим, что волновой цуг распространяется с фазовой скоростью[3, с.52], , гдеn–абсолютный показатель преломления в среде распространения волны, С » 3 × 10⁸ м/с – скорость света в вакууме. Волновой пакет [4,с.16] распространяется с групповой скоростью , где– дисперсия фазовой скорости. Реальное оптическое излучение, генерируемое ОКГ, представляет собой поток волновых пакетов отличающийся от идеальной МЭВ, определенной выше.

Введем понятие когерентности оптического излучения как меры приближения реального излучения к идеальной МЭВ.

Различают временную когерентность и пространственную.

Основной характеристикой временной когерентности является время когерентности . К характеристикам пространственной когерентности относятся: длинна когерентности, “радиус” когерентностиr_К и объем когерентности V_К.

Понятие когерентности не следует путать с понятием когерентных волн.

По определению, две волны называются когерентными, если они имеют одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз. Из выше сказанного, очевидно, что для реального оптического излучения понятие когерентных волн является идеализированной моделью.