Оптическая когерентность

Генерируемое лазером излучение характеризуется принципиально новыми свойствами по сравнению с известными ранее источниками излучения. В первую очередь следует отметить такое свойство, как когерентность. Понятие когерентность (от лат. cohaerens - находящийся в связи с чем-то) пришло в физику из теории колебаний и определяет согласованность протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Когерентность лазера предопределена природой вынужденных переходов в активной среде, сопровождающихся испусканием фотонов, абсолютно идентичных тем, которые их стимулировали. Когерентность пучка, временные флуктуации интенсивности и спектр частот являются проявлением одних и тех же физических свойств излучающих частиц. Как следствие этого, лазерные источники излучения отличаются высокой монохроматичностью, большой спектральной мощностью, направленностью и малой расходимостью.

Вынужденное излучение, представляющее собой резонансный процесс, привязано к частоте резонансного перехода. Однако имеют место причины, приводящие к уширениям спектральной линии генерации (естественное, доплеровское, столкновительное уширения). Ширина спектральной линии ∆v определяет когерентные свойства излучения, которые можно характеризовать временем когерентности τ_ког ~ 1/∆v. Точная связь ширины линии и времени когерентности зависит от формы спектральной линии. Для лоренцевой формы контура, которая описывает естественное и столкновительное уширения, τ_ког = l/π∆v. Для гауссова контура (доплеровское уширение) . Временная когерентность определяет корреляцию между световым полем в одной точке пространства, разделенного временным интервалом τ. В пределах времени τ<τ_ког разность фаз электромагнитных колебаний, испущенных источником, остается неизменной.

Для типичных лазерных источников ширина линии генерации со­ставляет от тысячных долей нанометра (узкополосные газовые лазеры) до нескольких нанометров (лазеры на красителях). Применение селективных резонаторов позволяет еще больше сузить линию генерации и добиться длины когерентности в сотни метров, и даже десятки километров. Заметим, что обычные узкополосные некогерентные источники света, например, излучение натриевой лампы, имеют времена когерентности ~ 10^-10 с, при которых длина когерентности несколько сантиметров. Для тепловых источников (τ_ког ~ 10^-12-13 с) длина когерентности порядка сотни микрон.

Кроме временной когерентности, которая определяет степень монохроматичности лазерного источника, существует понятие «пространственной когерентности», которая обусловливает расходимость лазерного излучения. Пространственная когерентность определяет корреляцию между световым полем в различных точках пространства в один и тот же момент времени. Так, например, если по аналогии с опытом Юнга связать размер источника а (расстояние между щелями), апертуру угла φ (расстояние до щелей), длину волны излучения λ, то можно определить предельное соотношение, при котором еще будет видна интерференционная картина: φ≈λ/а. Это соотношение совпадает с выражением для угла дифракционной расходимости.

Индуцированное излучение сопровождается испусканием фотона в направлении, которое имеет исходный фотон, его стимулировавший. Таким образом, если в лазере возбуждена основная поперечная мода (в резонаторе поддерживаются электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, и все генерируемые фотоны абсолютно когерентны), мы будем иметь полностью пространственно когерентный свет. При возбуждении более высоких поперечных мод пространственная когерентность будет падать, что приведет к увеличению расходимости излучения. Типичные значения расходимости лазерных источников составляют ~ 10^-3-10^-4 рад, что дает возможность передавать сигналы на большие расстояния (на расстоянии 1 км диаметр светового пятна может быть меньше 1 м). При этом малая расходимость лазерного излучения позволяет получать микронную область фокусировки и обеспечивать пространственную концентрацию энергии в миллионы раз.

При сочетании малой расходимости и узкой спектральной ширины линии генерации можно говорить о чрезвычайно высокой яркости излучения, которая даже для маломощных полупроводниковых или гелий-неоновых лазеров мощностью несколько милливатт превышает спектральную яркость солнца. Сокращение длительности генерации до нано- или пикосекунд позволяет получить в серийно выпускаемых лазерных системах световые импульсы мощностью в несколько мегаватт или даже гигаватт, что превышает мощность крупных электростанций. Концентрация энергии электромагнитного излучения в пространстве, времени и узком спектральном диапазоне обеспечивает качественно новую ситуацию при распространении светового излучения и его взаимодействии с различными средами. Наблюдаются нелинейные эффекты, приводящие к преобразованию частоты излучения (генерация гармоник, сложение и вычитание частот, вынужденное рассеяние), образованию световых полей с «необычными» свойствами (обращение волнового фронта, сжатые состояния, пространственно-временные солитоны, оптические вортексы и др.). Все это принципиально невозможно было ранее, до появления лазеров и их бурного развития.

Изучению устройства и принципа работы лазера, методов управления энергетическими, временными и спектральными характеристиками лазерного излучения посвящены лабораторные работы, которые приведены в последующих разделах практикума.