Учебник физики, раздел Оптика

Длина когерентности

В опыте Юнга обеспечивается когерентность (постоянство разности фаз колебаний) двух источников света - параллельных щелей. Естественно, при некогерентных источниках интерференционная картина наблюдаться не может. Но для успешности наблюдения интерференционной картины оказывается важной и временная когерентность. При этом оказывается более удобным говорить о длине когерентности. Она определяется как характерное время, в течение которого фаза колебаний волны остается постоянной, умноженное на скорость света в вакууме.

Действительно, при удалении от центра экрана увеличивается разность хода лучей от источников S’ и S”. И если разность хода больше длины когерентности, то мы опять-таки не сможем наблюдать интерференционую картину.

Сделаем такое (достаточно очевидное) утверждение: “чисто” синусоидальных волн в природе не бывает. Ближе всего к такой волне излучение лазера, но и для него длина когерентности конечна, хотя и весьма велика. Но любая реальная волна представляет собой сумму больше или меньше отличающихся по частоте синусоидальных волн.

Интенсивность излучения, таким образом, некоторым образом распределена по оси частот (или длин волн). В этой связи говорят о ширине спектральной полосы, и в вопросе о том, как связана длина когерентности с разностью длин волн нам вновь поможет рассмотрение биений.

Предположим, что волна света при наблюдении интерференции в опыте Юнга представляет собой сумму двух синусоидальных волн. Как мы знаем, амплитуда суммарных колебаний изменяется по закону

 

 .

 

Следовательно, изменение фазы происходит через время t, которое определяется условием

 

;       

 

и длина когерентности

.

 

С другой стороны мы имеем:

 

;       .

 

По смыслу длина когерентности - величина положительная. Беря поэтому соответствующие величины по модулю, имеем:

 

.

 

Подойдем теперь к этому вопросу с другой стороны. Предположим, мы проводим опыт Юнга с такой волной - суммой волн с близкими частотами. Для них расстояния между минимумами x различны:

 

.

 

 

На такую величину интерференционный максимум одной длины волны сдвинут по отношению к максимуму другой. Если взять достаточно большое количество максимумов n, то сдвиг равен nx и если он окажется равным половине (средней для этих волн) ширины интерференционного максимума, картинка “смажется”. Заметив, что для максимума с номером n разность хода лучей равна n, мы получим:

 

;     ;     .

 

Таким образом, длина когерентности оказывается величиной порядка разности хода, при которой интерференционная картина уже не наблюдается.

 

[an error occurred while processing this directive]