главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
   
Главная / Лазеры / Параметры лазерного излучения / Когерентность лазерного излучения
 
 
Оптика
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры /
  История создания лазеров
  Принципы работы лазера
  Параметры лазерного излучения
  Длина волны лазерного излучения
  Качество пучка лазерного излучения
  Импульсный и непрерывный режимы работы лазеров
  Яркость лазерного излучения
  Измерение усиления и оптических потерь в децибелах
  Тон биений (beatnote)
  Коэффициент полезного действия лазера (wall-plug efficiency, эффективность)
  Когерентность лазерного излучения
  Поляризация лазерного излучения
  Мощность лазерного излучения
  Различные типы лазеров
  Лазерная безопасность
  Юмор
  Ведущие фирмы-производители лазеров. Поставщики лазерного оборудования
  Лазерика
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Когерентность лазерного излучения

Раздел подготовлен Юлией Майковой

 

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

 

Когерентность является одним из важнейших понятий оптики и означает способность света проявлять интерференционные эффекты. Свет называется когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между напряженностью электромагнитного поля в разных точках пространства 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.

Когерентность лазерного пучка Лазеры 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.


Измерение степени когерентности

Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности:

• Корреляционные функции указывают степень корреляции в зависимости от пространственной или временной дистанции.

• Контраст интерференционной картины, образованной наложением двух лучей, характеризует их степень когерентности.

• Время когерентности определяется как время, при котором когерентность теряется.

• Длина когерентности равна длине когерентности, умноженной на скорость света в вакууме. Она также характеризует временнУю когерентность (не пространственную!) вдоль того пути распространения, на котором эта когерентность теряется.

• Ширина спектральной линии одночастотного лазера также сильно зависит от временнОй когерентности: узкая ширина спектральной линии (высокая монохроматичность) означает высокую временнУю когерентность.

Соотношение между оптической пропускной способностью и временной когерентностью может быть необычным. Например, последовательность импульсов лазера с синхронизацией мод (mode-locked laser) может иметь широкую полосу пропускания со спектром Фурье, состоящим из дискретных очень узких линий (→ частотные гребенки). Временная когерентность может быть очень высокой в том смысле, что есть сильные корреляции поля для больших временных задержек, которые близки к кратным периодам импульса.

Важность когерентности в решении практических задач

Некоторым приложениям нужен свет с очень высокой пространственной и временной когерентностью. Это относится, например, для многих задач интерферометрии, голографии, а также к некоторым видам оптических датчиков (например, волоконно-оптических датчиков ). Такие особенности имеют важное значение для техники с когерентным сведением лучей лазеров.

Для других приложений когерентность используемого света должна быть максимально низкой, насколько возможно. Например, очень низкая временная когерентность (но в сочетании с высокой пространственной когерентностью) требуется для когерентной томографии, где высокое пространственное разрешение требует низкой временной когерентности. Подходящие источники света для таких приложений могут быть основаны на усилении спонтанного излучения (ASE) от лазерного усилителя (суперлюминесцентных источников) или на генерации суперконтинуума в нелинейных средах. Низкая степень временной когерентности также может быть полезной для лазерных проекционных дисплеев, работы с изображениями и указателями приложений, так как это уменьшает образование спекловой картины и подобных интерференционных эффектов.

Когерентность в квантовой оптике

В квантовой оптике термин «когерентность» часто используется для описания параметров излучающих атомов или ионов. В этом случае, когерентность относится к соотношению фаз между комплексными амплитудами соответствующих электронный состояний. Это важно, например, в контексте лазерной генерации без инверсии. Существует также термин " когерентное состояние" светового поля, которое имеет еще одно значение.
 

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru