Когерентность лазерного излучения

Определение: когерентность - фиксированное фазовое соотношение между значениями величины электрического поля в разных точках пространства или в разное время.

Когерентность является одним из важнейших понятий в области оптики и имеет самое прямое отношение к способности света проявлять интерференционные эффекты. Световое поле называется когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между значениями электрических полей в разных местах или в разное время. Частичная когерентность означает, что есть некоторые (хотя и не идеальные) корреляции между значениями фаз. Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности, как описано ниже.

Кроме того, принято называть определенные процессы или методы когерентными или некогерентными. В таком случае, «когерентный» по существу означает "фазо-чувствительный". Например, метод когерентного комбинирования лазерного излучения основывается на взаимной когерентности лучей.

Пространственная и временная когерентность

• Пространственная когерентность означает сильную корреляцию (фиксированную связь фаз) между электрическими полями в разных местах по всему профилю пучка. Например, в сечении пучка с лазерным дифракционным качеством, электрическое поле в разных местах колеблется фиксированным образом, даже если временная структура усложняется наложением различных частотных составляющих. Для пространственной когерентности необходимым условием является точная направленность лазерного луча.

• Временная когерентность означает сильную корреляцию между электрическими полями в одном месте, но в разное время. Например, на выходе одночастотный лазер может обладать очень высокой временной когерентностью, поскольку электрическое поле со временем развивается весьма предсказуемым образом: оно обладает чистым синусоидальным колебанием в течение длительного периода времени.

Л азеры могут излучать пучки света (например, гауссовые пучки) с очень высокой пространственной когерентностью, и это, пожалуй, самое принципиальное различие между лазерным излучением и излучением от других источников света. Высокая пространственная когерентность возникает из-за существования мод резонатора, которые определяют в пространстве коррелированные модели поля. В ситуациях, когда только одна мода резонатора имеет достаточное усиление для возникновения генерации, может быть выбрана только одна продольная мода для получения одночастотной генерации лазера, также с очень высокой временной когерентностью.

На рисунке справа показана разница между пространственной и временной когерентностью. На верхнем рисунке показан монохроматический гауссов пучок, демонстрирующий идеальную пространственную и временную когерентность.

На среднем рисунке показан пучок с высокой пространственной когерентностью, но с маленькой временной когерентностью. Волновые фронты образованные выше, и качество пучка по-прежнему очень высоки, но амплитуда и фаза луча изменяется вдоль направления распространения. Обратите внимание, что амплитуды и расстояния между фронтами могут варьироваться в некоторой степени. Такой пучок может быть создан, например, при генерации суперконтинуума.

На нижнем рисунке показан лазерный луч с плохой пространственной когерентностью, но с высокой временной когерентностью. Волновые фронты деформируются, и это приводит к высокой расходимости пучка и низкому качеству луча. С другой стороны, пучок монохроматичен, так что расстояние между деформированными фронтами остается постоянным. Такой пучок может быть получен при прохождении излучения одночастотного лазера через оптически неоднородные материалы.