Coerența radiației laser

Definiția. coerență - o relație de fază fixă ​​între valorile câmpului electric la diferite puncte în spațiu, sau la momente diferite.

Coerența este una dintre cele mai importante concepte de sisteme optice și se referă la capacitatea de lumină pentru a arăta efectele de interferență. Lumina este coerent în cazul în care există o relație de fază fixă ​​între intensitatea câmpului electromagnetic la diferite puncte în spațiu sau în momente diferite.

coerență parțială înseamnă că există unele (deși nu perfect) corelație între valorile fazelor. Exista diverse tehnici pentru cuantificarea gradului de coerență așa cum este descris mai jos.

În plus, anumite procese denumite metode sau coerente sau incoerente. În acest caz, „coerent“ înseamnă substanțial „fazosensorice.“ De exemplu, metoda combinarea coerentă bazată pe laser, razele de coerență reciprocă.

coerență spațială și temporală

• coerență spațială este o corelație puternică (faze de telefonie fixă) între câmpurile electrice în locații diferite din profilul fasciculului. De exemplu, secțiunea transversală fasciculului cu o calitate de difracție cu laser, câmpul electric variază în locații diferite, într-un mod fix, chiar dacă o structură temporară este superpoziție complicată de componente de frecvență diferite. Pentru coerență spațială condiție necesară este direcția exactă a razei laser.

• coerență temporală este o corelație puternică între câmpurile electrice în același loc, dar la momente diferite. De exemplu, producția unui singur laser de frecvență poate avea o coerență temporală foarte mare, deoarece câmpul electric se dezvoltă în timp, într-un mod previzibil: are o undă sinusoidală pură pentru o perioadă lungă de timp.

Laserele pot emite fascicule de lumină (de exemplu, un fascicul Gaussian) cu o coerență spațială foarte mare, și este, probabil, diferența fundamentală dintre radiația laser și radiația din alte surse de lumină. Înalta coerență spațială rezultă din existența modurilor de cavitate, care sunt determinate în domeniu corelat spațiul model. În situațiile în care doar un singur mod de rezonator are câștig suficient pentru lasing, acesta poate fi selectat numai un singur mod cu laser longitudinal pentru generarea o singură frecvență, de asemenea, cu o coerență temporală foarte mare.

Figura din dreapta arată diferența dintre coerența spațială și temporală. Figura de sus arată grinda Gaussian monocromatică, prezentând o coerență temporală și spațială ideală.

Ilustrația din mijloc prezintă fasciculul cu coerență spațială ridicată, dar cu o mică coerență temporală. Wavefronts format de mai sus și calitatea fasciculului este încă foarte mare, dar amplitudinea și faza modificărilor fasciculului de-a lungul direcției de propagare. Rețineți că amplitudinea și distanța dintre marginile pot fi variate într-o anumită măsură. O astfel de fascicul poate fi creat, de exemplu, în generarea unei supercontinuum.

In figura de jos prezintă un fascicul laser cu coerență spațială slabă, dar cu o coerență temporală ridicată. Wavefronts sunt deformate, iar acest lucru duce la fascicul de calitate înaltă și joasă de divergență a fasciculului. Pe de altă parte, un fascicul de monocromatic, astfel încât distanța dintre marginile deformate rămâne constantă. O astfel de fascicul poate fi obținută printr-o radiație laser cu o singură frecvență trece printr-un material optic neomogen.

Măsurarea gradului de coerență

Exista diverse tehnici pentru cuantificarea gradului de coerență:

• Funcția de corelație indică gradul de corelare în funcție de distanța spațială sau temporală.

• Contrastul modelul de interferență format prin suprapunerea celor două grinzi, caracterizate prin gradul lor de coerență.

• timp de coerență este definit ca momentul în care se pierde coerența.

• o lungime de coerență egală cu lungimea de coerență, înmulțită cu viteza luminii în vid. Se descrie, de asemenea, timpul de coerență (fără spațiu!) De-a lungul caii, în care se pierde această coerență.

• lățimea liniei spectrală a unui laser cu o singură frecvență este, de asemenea, depinde foarte mult de timp coerență: o lățime de linie spectrală îngustă (ridicată monochromaticity) înseamnă o coerență temporală ridicată.

Relația dintre debitul optic și coerența temporală poate fi neobișnuit. De exemplu, secvența de impulsuri laser cu un (laser-mode blocat)-mode blocat poate avea o lățime de bandă largă cu spectru Fourier constând din linii foarte înguste discrete (→ piepteni frecvență). coerență temporală poate fi foarte mare, în sensul că există un câmp puternic de corelație pentru întârzieri mari de timp, care sunt aproape de un multiplu al perioadei de puls.

importanța coerenței în rezolvarea problemelor practice

Unele aplicații au nevoie de lumina cu coerență spațială și temporală foarte mare. Acest lucru se aplică, de exemplu, pentru multe aplicații interferometrie. holografie, dar, de asemenea, pentru anumite tipuri de senzori optici (de exemplu, senzori cu fibră optică). Aceste caracteristici sunt importante pentru amestecare tehnici cu raze laser coerente.

Pentru alte aplicații, coerența luminii utilizate ar trebui să fie cât mai scăzut posibil. De exemplu, este necesară o coerență temporală foarte redusă (dar combinat cu coerență spațială ridicată) pentru tomografie coerenta, unde rezoluție spațială ridicată necesită o coerență temporală scăzută. Sursele de lumină adecvate pentru astfel de aplicații pot fi bazate pe amplificarea emisiei spontane (ASE) din amplificatorul optic (surse superluminescent) sau pentru generarea supercontinuum în medii neliniare. Un grad redus de coerență temporală poate fi utilă și pentru ecrane de proiecție cu laser, de imagine și indicii deoarece reduce formarea efectelor de interferență model pistrui și altele asemenea.

Coerența în optica cuantică

In optica cuantică, termenul „coerent“ este adesea utilizat pentru a descrie parametrii electroluminiscente atomi sau ioni. În acest caz, coerența se referă la raportul dintre faze între amplitudinile complexe stări electronice corespunzătoare. Acest lucru este important, de exemplu, în contextul oscilatie cu laser, fără inversiune. Există, de asemenea, termenul „stat coerent“ câmp de lumină, care are o altă semnificație.