Получение когерентных волн

Световая волна представляет собой суперпозицию огромного числа элементарных волн, излучаемых отдельными атомами или молекулами. Излучение происходит в течение конечного промежутка времени τ, которое отличается для различных атомов. Поэтому элементарная световая волна представляет собой волновой цуг – колебания, описываемые на определённом конечном промежутке времени и пространства гармонической функцией и имеющие вне этого промежутка амплитуду, равную нулю (“обрывок синусоиды”). Время τ называют длительностью цуга. Протяженность цуга в пространстве можно определить как (с – скорость света в вакууме).. Обычно τ~10^-8с, l_z ~ 3 м. Если бы τ стремилось к бесконечности, в спектре излучения атома содержалась бы единственная частота w₀. Волны, для которых частота является строго определенной и постоянной, называются монохроматическими. Однако поскольку τ ограничено, то кроме ω₀, в спектре излучения атома содержится и частоты, близкие к ней, т.е. отличающиеся на Δω. (т.е. спектр реальной волны включает циклические частоты от ω₀-Δω/2 до ω₀+Δω/2). Если Δω << ω₀, то свет называется квазимонохроматическим.

Световые волны от обычных (не лазерных) источников света являются суперпозицией колоссального числа цугов, излучаемых различными атомами независимо друг от друга. Цуги не согласованы между собой по фазе и поляризации, а иногда имеют различные ω₀ (например, солнечный свет). Поэтому волны от двух отдельных источников являются некогерентными.

Однако когерентные волны можно получить, используя излучение одного источника. Сначала из него выделяют квазимонохроматическую волну с помощью специальных оптических фильтров (светофильтров), пропускающих излучение в очень узкой спектральной области Δω. Затем полученную квазимонохроматическую волну разделяют на две. Это достигается либо путем деления волнового фронта (схема Юнга, зеркала Френеля, дифракционная решетка и т.д.), либо путем деления амплитуды волны протяженного источника с помощью отражения и преломления (плоскопараллельные и клиновидные пластинки, кольца Ньютона и т.д.). При этом каждый цуг исходной волны разделяется на два так называемых сопряженных цуга, входящие во вновь образованные волны. Сопряженные цуги имеют одинаковые ω₀, Δω и поляризацию. В данную точку пространства все пары сходственных цугов приходят с одинаковой разностью фаз, зависящей только от положения этой точки в пространстве. В результате каждая пара сходственных цугов, входящих в полученные таким образом две волны, когерентна. Поэтому накладывающиеся две волны когерентны (конечно, если задержка по времени одной из них по отношению к другой меньше длительности цуга).