26, Сложение световых волн. Когерентные и некогерентные волны

Сложение колебаний световых волн.В клас­сической волновой оптике рассматриваются среды, линейные по своим оптическим св-вам, т.е такие, диэлектрическая и магнитная проницаемость которых н.з. от интенсивности света. Поэтому в волновой оптике справедлив принцип суперпозиции волн. Явления, наблюдающиеся при распространении света в оптически нелинейных средах, исследуются в нелинейной оптике. Нелинейные оптические эффекты становятся существенными при очень больших интенсивностях света, излучаемого мощными лазерами. Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления: . Амплитуда результирующего колебания в данной точке будет: где . Если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны наз-ся когерентными

Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве.^[1] Сопровождается чередованием максимумов и минимумов (пучностей) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Две одновременно распространяющиеся синусоидальные сферические волны   и  , созданные точечными источниками B₁ и B₂, вызовут в точке M колебание, которое, по принципу суперпозиции, описывается формулой  . Согласно формуле сферической волны:

,

,

где

и   – фазы распространяющихся волн

и   — волновые числа ( )

и   — циклические частоты каждой волны

и   — начальные фазы,

и   — расстояния от точки М до точечных источников B₁ и B₂

В результирующей волне  , амплитуда   и фаза   определяются формулами:

,

Когерентность волн

Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, если разность фаз волн   не зависит от времени. Волны и возбуждающие их источники называются некогерентными, если разность фаз волн   изменяется с течением времени. Формула для разности :

, где  ,  ,

– скорость распространения волны, одинаковая для обеих волн в данной среде. В приведенном выше выражении от времени зависит только первый член. Две синусоидальные волны когерентны, если их частоты одинаковы (ω₁ = ω₂), и некогерентны, если их частоты различны.

Для когерентных волн (ω₁ = ω₂ = ω) при условии α₂ − α₁ = 0

,

.

Амплитуда результирующих колебаний в любой точке среды не зависит от времени. Косинус равен единице, а амплитуда колебаний в результирующей волне максимальна   во всех точках среды, для которых  , где  (m-целое) или  , (так как  )

Величина   называется геометрической разностью хода волн от их источников B₁ и B₂, до рассматриваемой точки среды.

Амплитуда колебаний в результирующей волне минимальна   во всех точках среды, для которых

, где   (m-натуральное),

или

.

При наложении когерентных волн квадрат амплитуды и энергия результирующей волны отличны от суммы квадратов амплитуд и суммы энергий накладываемых волн.

28, Получение когерентных лучей

Когерентный луч - средство связи, исследователь космоса и земной атмосферы

"Для техники связи, - рассказывает академик А. М. Прохоров, - очень существенно увеличение частоты колебаний волны, несущей информацию. Если при длине волны 10 м можно с трудом осуществить один телевизионный канал, а при длине волны 1 м может существовать 5-10 каналов, то длина волны 1 мк расширяет передающий диапазон до 5-10 млн. каналов".

В настоящее время количество телефонов на нашей планете значительно превысило 200 млн. Телефонные разговоры передаются по воздушным проводам, подземным кабелям, радиорелейным линиям и посредством спутников связи. Ученые и конструкторы ищут новые средства, позволяющие увеличить пропускную способность линий связи. Создание квантовых генераторов оптического диапазона волн вызвало большой интерес специалистов, разрабатывающих средства связи. Ведь, по теоретическим расчетам, один луч квантового генератора может обеспечить передачу около 10 млн. телеграмм и телефонных разговоров. Подсчитано, что линия телефонной связи Земли с Марсом, протяженность которой составит 100 млн. км, может надежно работать на квантовых генераторах мощностью излучения всего 10 Вт.

Несколько лет назад на глазах у многих москвичей красный световой луч прорезал воздушное пространство от Ленинских гор до Зубовской площади. Впервые в мире ученые и инженеры, специалисты из Центрального научно-исследовательского института связи, проверяли, как будет действовать дотоле невиданная телефонная связь, осуществляемая не по проводам, а по лучу, испускаемому оптическим квантовым генератором. Наблюдавшие опыт отметили, что при разговоре по телефону не было неприятных потрескиваний и шумов, какие случаются при обычном способе связи. Казалось, абонент находится рядом с говорящим.

Преимущества связи с помощью луча квантового генератора очевидны: квантовый генератор обладает достаточно высокой частотой излучения. И чем она выше (а это зависит от рабочего вещества генератора), тем больше, как уже упоминалось, сеть каналов для одновременной передачи. Особенностью такого луча является его параллельность, чрезвычайно малый угол расхождения, отличная монохроматичность. Передачу телепрограмм по такому лучу можно вести на значительном расстоянии.

Однако наладить массовую связь по световому лучу не так-то легко: на ее качество влияет атмосфера - мельчайшие капельки жидкости и твердые частички пыли, воздушные вихри, которые ослабляют и рассеивают луч.

Ученые и специалисты Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и некоторых других организаций работают над совершенствованием световодов, внутри которых можно будет "спрятать" когерентный луч, благодаря чему на его пути не будет препятствий. Сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством академика А. М. Прохорова создают световоды с малыми потерями. Отрабатывая технологию, пробуя различные легирующие присадки, они в содружестве с группой специалистов из Института химии АН СССР, работающих под руководством академика Г. Г. Девятых, создали сверхпрозрачное стекло, способное вытягиваться в длинные гибкие волокна. По одному лазерному лучу могут одновременно говорить до 4 тыс. абонентов. А по пучку стеклянных трубок общей толщиной не более карандаша с помощью лазерного луча можно будет передавать сотни тысяч телефонных разговоров.

Огромные перспективы перед этой связью открываются в космосе, где нет атмосферных помех. В течение секунды с третью луч достигает Луны, проходя около 400 тыс. км. Короткий, длительностью всего в миллиардную долю секунды, световой импульс, посланный в атмосферу световым локатором, при отражении может доставить из ее глубины важные сведения о температуре воздуха, концентрации газов, скорости ветра на разных высотах. При помощи нескольких световых импульсов можно определить содержание воды в облаке и уточнить время, когда возможны осадки.

Зондирующие световые локаторы позволяют точно прогнозировать погоду. Первый метеорологический световой локатор был создан в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР. С помощью такого локатора путем дистанционного светового зондирования воздушной оболочки Земли получают ценную информацию из атмосферы, в частности сведения об оптической плотности облаков, об особенностях их развития с момента образования до исчезновения. Исследуются взаимосвязи^ отраженного эхо-сигнала с оптическими характеристиками облаков для выяснения микрофизических свойств облаков, их состава и структуры.

"Световое зондирование атмосферы, осуществляемое с целью более глубокого проникновения в "кухню погоды", весьма перспективно, - рассказывает член-корреспондент АН СССР директор Института оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР В. Е. Зуев. - Идея нового метода довольно проста. В метеорологическом световом локаторе используется следующее явление: короткий импульс света, направленный в атмосферу, встречается с молекулами газов, способными поглотить его энергию, и с частицами атмосферных аэрозолей, которые рассеивают свет. Часть излучения возвращается на Землю и регистрируется специальными устройствами. Расшифрованная запись светового "эха" позволяет в принципе получить данные о самых разных характеристиках атмосферы, которые определяют формирование погоды. Информация поступает в распоряжение специалистов практически мгновенно. А это обеспечивает исследование динамики быстропротекающих атмосферных процессов, например северного полярного сияния, ураганов, тайфунов".

Оптические локаторы малогабаритны и легко могут быть автоматизированы. Это позволяет устанавливать их в местах, непригодных или неудобных для длительного пребывания человека. Сейчас коллектив Института оптики атмосферы работает над созданием новых, более современных систем оптического зондирования.

В Центральной аэрологической обсерватории гидрометеослужбы СССР с помощью лазеров измерили плотность нижней земной атмосферы. Полученные данные хорошо согласуются с результатами одновременных измерений плотности с помощью радиозондов.

"Успешное прогнозирование,- рассказывает один из авторов открытия "Свойства атмосферы Земли" О. К. Костко, - нуждается в данных состояния атмосферы во многих точках Земли в разное время суток. В пределах территории нашей страны радиозондирование проводится более чем на 200 метеостанциях. Несколько раз в сутки радиозонды - шары-пилоты, наполненные водородом, - с подвешенными к ним приборами поднимаются на высоту до 30 км. С Земли принимается информация о состоянии атмосферы.

К сожалению, радиозонды и метеорологические ракеты - приборы однократного действия. Запущенная в земную атмосферу сложная и дорогая аппаратура не может быть использована для повторных измерений. При падении на земную поверхность приборы выходят из строя. К тому же поиск упавших приборов практически невозможен.

Поэтому стали искать дистанционные бесконтактные способы определения свойств атмосферы. Исследования были начаты в радиодиапазоне с помощью радиолокаторов, а с появлением лазеров - и в оптическом диапазоне частот.

Распространяясь в земной атмосфере, лазерный луч рассеивается аэрозолями - твердыми частицами или каплями. Выше 10 км загрязненность атмосферы уменьшается. Но существуют области повышенной концентрации частиц, например на высотах между 20 и 30 км.

Лазерный луч рассеивается и за счет колебаний молекулярной плотности в земной атмосфере. Такой вид рассеяния называют молекулярным или рэлеевским - по имени английского физика Джона Рэлея, установившего законы рассеяния света. Интенсивность молекулярного рассеяния пропорциональна общей плотности атмосферы. Прослеживая на разных высотах рассеяние лазерного луча и разделяя общее рассеяние на аэрозольное и молекулярное, можно определить профиль плотности атмосферы. Один из методов разделения типов рассеяния и определения плотности атмосферы с помощью лазерного локатора разработан в Центральной аэрологической обсерватории Главного управления гидрометеослужбы СССР".

Сотрудниками этой обсерватории создан локатор с двумя передатчиками-лазерами. "Лазеры посылали в атмосферу красные и невидимые инфракрасные лучи с длинами волн 0,7 и 1,06 мк. Эксперименты позволили узнать профиль концентрации аэрозолей на высотах 20-30 км. Основным результатом экспериментов стало определение плотности атмосферы до высоты 12 км.