Волновые свойства света. Интерференция и когерентность.

Свет — это электромагнитные волны. Длина волны λ у видимого света не превосходит одного микрона (10-4 см), а скорость распро­странения световой волны с в пустоте составляет 300 тыс. километ­ров в секунду. Соответствующая частота световых колебаний v= с/λ равна примерно 1015 гц. Такие скорости и частоты человек, разумеется, непосредственно воспринимать не может. И хотя чело­веческий глаз отличает, например, красный свет (λ ≈ 6 • 10-5 см) от зеленого (X ≈ 5 • 10-б см), на основе этого различия нельзя сказать, какую длину волны имеет излучение данного цвета. Без специальных опытов волновая природа электромагнитного излуче­ния даже в видимой, световой области остается фактически «не­видимой».

 

Рис. 6.1. Схема для введения понятия длины когерентности. Полупрозрач¬ное зеркало А отделяет часть светового пучка, который затем с помощью веркала В снова сходится с первоначальным пучком в области С. Длина ко¬герентности определяется наибольшей разностью расстояний Labc — Lag, при которой в области С еще наблюдается интерференционная картина.

Более длинные и медленные волны на поверхности воды извест­ны каждому, и многие, наверное, наблюдали ту своеобразную вол­новую картину, которая возникает при наложении волн от двух теплоходов или при отражении волны от стенки набережной. В том месте, где сходятся гребни двух волн или их впадины, получаются особенно большие гребни или впадины, а если гребень встречается со впадиной, то они взаимно ослабляют друг друга. Это явление называется интерференцией волн.

Отдельная волна характеризуется амплитудой, т. е. величиной гребня, и фазой, которая определяет пространственное расположе­ние гребней и впадин в разные моменты времени. Конкретный вид интерференционной картины зависит от амплитуд и фаз всех волн, приходящих одновременно в данную точку пространства.

Если встречаются две волны с одинаковыми частотами и неиз­менными фазами и амплитудами, то области взаимного усиления и ослабления остаются неподвижными в пространстве, причем рас­стояние между ними может быть намного больше длины волны. Об интерференции световых волн имеет смысл говорить только в по­добных случаях, поскольку быстропеременную волновую картину наблюдать нельзя по той же самой причине, по которой не воспри­нимается непосредственно волновая природа света.

Простейшим и хорошо известным примером интерференции света является радужная окраска очень тонких пленок (например, бен­зина) на поверхности воды. После отражения от поверхности воды и пленки один и тот же световой поток разделяется на две части, ко­торые имеют одинаковый набор частот, и интерферируют между собой. В результате этого излучение некоторых длин волн в спектре белого света оказывается ослабленным, что и является причиной возникновения цветных полос. Обязательное условие для наблю­дения этой картины — малая толщина пленки, при увеличении толщины пленки радужные полосы становятся неразличимыми.

 

При сложении световых потоков от разных источников, напри­мер от двух ламп накаливания или даже от различных участков одного и того же осветителя, интерференционная картина не воз­никает, а наблюдается равномерное освещение. Такое излучение, как принято говорить, не обладает свойством когерентности. Коге­рентность — это такое свойство волновых полей, которое опреде­ляет возможность наблюдения интерференционной картины. У строго когерентного излучения амплитуда и фаза четко определены, а у некогерентного они меняются беспорядочным, случайным обра­зом, что и приводит к размазыванию интерференционной картины.

 

Количественной характеристикой когерентности излучения мо­жет служить так называемая длина когерентности (рис. 6.1), ко­торая имеет простой физический смысл. При разделении одного и того же светового пучка на две части, которые затем снова сходят­ся в некоторой области, интерференционная картина возникает только в том случае, если разность расстояний, проходимых светом по двум путям, не превышает длину когерентности. Следовательно, длина когерентности — это та максимально допустимая разность расстояний, проходимых светом по двум направлениям, при кото­рой еще наблюдается устойчивая интерференционная картина. При большей разнице оптических путей характеристики излучения в обоих пучках уже сильно отличаются друг от друга и интерфе­ренционная картина оказывается размазанной. В обычных услови­ях эта длина очень мала —не намного больше длины световой вол­ны, и поэтому, в частности, радужная окраска наблюдается только на очень тонких пленках.

 

Все обычные источники света дают некогерентное и ненаправлен­ное излучение. Только незначительная часть этого излучения мо­жет быть преобразована с помощью линз и зеркал в параллельный пучок, который способен распространяться на большие расстояния без заметной расходимости и ослабления. Кроме того, некогерент­ное излучение не может быть эффективно сконцентрировано в ма­лых областях пространства, что не позволяет значительно увели­чить оптическими методами мощность излучения от обычных источ­ников света, приходящуюся на единицу площади (интенсивность). Короче говоря, такое излучение плохо фокусируется даже самыми совершенными линзами и зеркалами. Этот недостаток некогерент­ного излучения оказывается весьма существенным. Дело в том, что интенсивность света от обычных тепловых источников ограничена: величина ее определяется самим механизмом излучения нагретых тел. Излучение таких источников похоже на равновесное, или, как говорят еще, на излучение «черного» тела. В этом случае распре­деление интенсивности по спектру имеет максимум на частоте vm, пропорциональной абсолютной температуре тела Т, а полная ин­тенсивность излучения пропорциональна четвертой степени Т.

 

Эти особенности теплового излучения хорошо известны из пов­седневного опыта. Слабо нагретое тело излучает только «тепло», т. е. невидимое глазом инфракрасное излучение, частота которого меньше частоты видимого света. При повышении температуры по­является видимое свечение, сначала темно-красное, потом все более светлеющее, что и свидетельствует об увеличении частоты испу­скаемого излучения.

При температуре примерно в пять тысяч градусов, когда веще­ство раскалено, «добела», vmприходится как раз на участок видимого спектра, а полная интенсивность излучения на всех частотах со­ставляет при этом 5 • 103 вт/см2. Однако только 40% энергии этого излучения приходится на участок видимого спектра, т. е. нагретое тело не столько «светит», сколько «греет». Если же из всего излу­чения выделять более узкие спектральные участки (монохроматиче­ское излучение) или остронаправленные пучки с малой угловой расходимостью, то его интенсивность окажется гораздо меньшей. На частотах, которые сильно отличаются от vm, интенсивность излу­чения также оказывается очень малой.

Теоретическое описание особенностей равновесного теплового излучения было дано в 1900 г. М. Планком, который впервые ввел в физику квантовую постоянную h. Все это способствовало разви­тию новых квантовых представлений, на основе которых удалось объяснить необычные закономерности атомного микромира.

Взаимодействие отдельных атомов с электромагнитным излуче­нием. Спонтанное и вынужденное излучение. Отдельный атом может находиться в различных состояниях, которые отличаются по своей энергии. Эта энергия зависит оттого, как именно движутся электро­ны вокруг атомного ядра, и ее величина принимает дискретный ряд значений. Наименьшее значение энергии соответствует так называ­емому основному состоянию. При переходе в другие, возбужденные состояния атом должен поглотить квант (порцию) энергии ∆£, ко­торая равна разности энергий возбужденного и основного состоя­ний: ∆Е = Еп — Е0. Эта энергия может быть получена атомом от электромагнитного излучения, если частота vэтого излучения удов­летворяет квантовому соотношению hv= ∆Е для данного перехода. Изменение энергии атома, т. е. переход его из одного состояния в другое, осуществляется скачком — квантовым переходом. Этот процесс перехода электрона в возбужденное состояние связан с уменьшением энергии электромагнитного поля и потому носит название резонансного поглощения.

Изолированный атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно перейдет в основное состояние, испустив при этом излучение соответствующей частоты. Такое излучение атома назы­вается спонтанным (самопроизвольным), поскольку оно может про­исходить даже в том случае, когда никакого внешнего поля нет. Можно сказать, что возбужденный атом более «горячий», чем окру­жающее пространство, и, «остывая», он отдает избыток своей энергии в виде электромагнитного излучения. Чтобы этот же атом опять смог излучать, его необходимо снова «нагреть», т. е. перевести в возбу­жденное состояние. В нагретом теле атомы возбуждаются и высве­чивают беспорядочно, случайным образом. По этой причине суммарное излучение нагретого тела, которое складывается из излу­чения отдельных атомов, оказывается ненапра вленным и некогерен­тным.

Определенные частоты в спектре излучения нагретого тела (спектральные линии) наблюдаются только при соблюдении спе­циальных условий. Такие условия выполняются, например, в некоторых газовых 

источниках излучения, работающих при малом давлении газа, когда число атомов в единице объема невелико и столкновения между ними происходят сравнительно редко. При переходе к большим давлениям и плотностям отдельные узкие спек­тральные линии атомных переходов уширяются и сливаются между собой, давая сплошной спектр излучения. Для спонтанного излу­чения возбужденного атома не требуется присутствия внешнего электромагнитного поля.

 

Если же на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Ев, падает электромагнитная волна резонансной частоты

 

v=       —-          , то кроме спонтанного процесса может происходить

 

так называемое вынужденное (стимулированное) излучение атома, т. е. атом перейдет из возбужденного состояния в основное, имею­щее меньшую энергию Е0, под действием внешнего поля. В случае вынужденного излучения испущенная волна имеет то же направле­ние, частоту и фазу, что и падающая, стимулировавшая это излу­чение. Поскольку испущенная волна не отличается от исходной, то в результате вынужденного излучения происходит усиление па­дающей волны за счет энергии атома. При наличии интенсивного резонансного излучения время существования атома в возбужден­ном состоянии резко уменьшается, т. е. под действием электромаг­нитного излучения возбужденный атом отдает свою энергию гораздо быстрее, чем в случае спонтанного излучения, когда внешнее поле отсутствует.

 

Источник света, в котором вынужденное излучение отдельных атомов преобладает над спонтанным, может давать когерентное и остронаправленное излучение, сосредоточенное в узком диапазо­не частот. В этом, собственно, и состоит основная идея лазера, от­личительная особенность которого заключается в том, что почти вся его светящаяся поверхность излучает когерентно.

 

Все необходимые теоретические предпосылки для создания ис­точников света подобного типа существовали уже в 30-х годах нашего века, однако прошло еще 30 лет, прежде чем заработал пер­вый лазер.

 

Развитие науки, рассматриваемое в историческом аспекте, вы­глядит порой весьма причудливо. Множество самых различных фак­торов определяет конкретное открытие: и внутренняя логика научных исследований, и «случайные» открытия новых явлений, и практи­ческие потребности общества. Поэтому иногда совершенно неожи­данные возможности обнаруживаются не на самом «переднем крае», а там, где, казалось бы, уже все изучено, понято и поставлено на службу человечеству. Нечто подобное произошло и с квантовыми генераторами электромагнитного излучения.

Использование вынужденных квантовых переходов для усиления и генерации электромагнитного излучения было первоначально реа­лизовано не в области светового излучения, а в диапазоне сверхвы­соких частот (СВЧ), которому соответствуют сантиметровые длины волн, в десятки тысяч раз превышающие длину световой волны. Фактически же в радиодиапазоне вынужденное излучение исполь­зовалось уже очень давно, только это излучение не было связано с квантовыми переходами атомных электронов.

 

 

Особенности электромагнитного излучения СВЧ и радиодиапа­зона. В то время как в обычных источниках света используется тепловой механизм излучения, в радиодиапазоне с самого начала применялись совершенно другие способы генерации электромагнит­ных волн. Такое отличие связано с тем, что интенсивность теплово­го излучения на частоте vоказывается очень малой, если эта частота много меньше vm. Поскольку частоты электромагнитного излучения в радиодиапазоне намного меньше оптических частот, то тепловое радиоизлучение от нагретых тел в обычных условиях совершенно ничтожно, его трудно обнаружить даже современными приборами.

Освоение шкалы электромагнитных волн, в которой видимый свет занимает узкую область, примерно от 4 • 10-5 см (фиолетовая граница) до 7,4 • 10-5 см (красная граница), началось сразу после установления электромагнитной природы света. Уже в конце про­шлого века радиоволны использовались для передачи телеграфных сообщений.

На первоначальном этапе развития радиотехника имела дело преимущественно с излучением сравнительно низких частот, у которого длина волны была намного больше, чем размеры прием­ников и передатчиков. Волновые свойства такого излучения прояв­лялись только за пределами тех устройств (колебательные контуры, радиолампы), в которых генерировались и преобразовывались со­ответствующие электромагнитные колебания, т. е. переменный электрический ток.

Самым большим элементом приемно-передаточных устройств была антенна. Колебания переменного тока, подводимого к антенне, вызывали пульсации электромагнитного поля вокруг нее, и часть энергии этого поля «отрывалась» от антенны в виде излучения со­ответствующих электромагнитных волн.

По мере перехода к более высоким частотам длина волны излу­чения уменьшалась. Когда длина волны стала сравнима по величи­не с размерами основных элементов приемно-передаточных устройств, прежние методы получения и преобразования электромагнитных колебаний перестали быть эффективными. Волновую природу элек­тромагнитного поля необходимо было теперь учитывать уже в са­мих рабочих элементах приемно-передаточных устройств. Так на смену обычным проводникам, катушкам, конденсаторам и радио­лампам пришли волноводы, объемные резонаторы и новые генера­торы сантиметровых волн, в которых были объединены в одно це­лое вакуумная лампа и колебательный контур.

Освоение СВЧ диапазона определялось, в частности, нуждами радиолокации, которой требовались узконаправленные пучки электромагнитного излучения. Формирование подобных пучков осу­ществлялось с помощью параболических антенн, которые действуют аналогично вогнутому зеркалу, преобразующему свет от точечного источника в почти параллельный пучок. Для эффективной работы такого зеркала необходимо, чтобы его диаметр намного превосхо­дил длину волны излучения. Это условие требует уменьшения дли­ны волны, поскольку размеры антенн довольно жестко ограничены.

Таким образом, уже в СВЧ диапазоне оказалось возможным при­менение некоторых типично оптических способов преобразования электромагнитного излучения. Однако в целом области использова­ния оптических и радиотехнических методов оставались по-прежнему обособленными. Размеры генераторов СВЧ не превышали суще­ственно длину волны, т. е. они были почти точечными источниками излучения. Для таких источников вопрос о когерентности еще не имеет той остроты, которая характерна для оптического диапазона, где длина волны намного меньше размеров источников излучения, и потому даже отдельные малые участки излучателей являются фак­тически независимыми источниками света.

В генераторах СВЧ основным «рабочим агентом» являются сво­бодные электроны. Пролетая через электрические и магнитные поля, существующие в рабочем объеме генератора, свободные электроны образуют переменный электрический ток, который и является не­посредственным источником электромагнитного излучения. Такие электроны могут испускать или поглощать излучение любой дли­ны волны, в отличие от электронов, находящихся на атомных орби­тах. Частота излучения или поглощения атомных электронов не яв­ляется произвольной, а подчиняется определенным квантовым со­отношениям, характеризующим движение электронов в атоме.

Принцип действия обычных генераторов СВЧ описывается за­конами классической, а не квантовой физики. Однако частота излу­чения таких генераторов уже попадала в диапазон некоторых кван­товых переходов в атомах и молекулах, т. е. под действием этого излучения атомы и молекулы могли изменять свое внутреннее со­стояние. Это стимулировало развитие исследований строения ве­щества с помощью СВЧ излучения. Так возникла новая область науки — радиоспектроскопия, которая вместе с уже давно исполь­зуемой оптической спектроскопией дает богатую информацию о строении как отдельных атомов и молекул, так и макроскопических тел, состоящих из многих частиц.

Взаимодействие излучения с совокупностью атомов и молекул. Новый способ усиления электромагнитных колебаний. Частоты квантовых переходов могут быть определены, в частности, по резо­нансному поглощению энергии излучения совокупностью атомов или молекул, которое происходит при совпадении частоты излучения с частотой соответствующего квантового перехода. Как уже го­ворилось выше, поглощение энергии происходит частицами, нахо­дящимися в состоянии с меньшей энергией, а возбужденные ча­стицы отдают свою энергию внешнему полю вследствие вынужден­ного излучения. По этой причине результирующая величина по­глощения зависит от разности числа частиц, находящихся в основ­ном и возбужденном состояниях, и может оказаться малой, если эта разность невелика.

В обычных условиях число частиц в возбужденном состоя ни и меньше числа невозбужденных частиц (рис. 6.2) — такая ситуация называется нормальной заселенностью состояний с разной энерги­ей (энергетических состояний). Молекула или атом могут перехо­дить из нижнего энергетического состояния в верхнее вследствие столкновений при тепловом движении. Чем меньше исследуемая частота и чем выше температура среды, тем меньше различаются между собой числа частиц в основном и возбужденном состояниях. Связанное с этим обстоятельством уменьшение поглощения приво­дило к снижению чувствительности приборов, регистрирующих кван­товые переходы под действием резонансного излучения.

Вопрос о чувствительности приборов стал особенно острым при использовании разреженных молекулярных пучков, в которых общее число молекул само по себе невелико. Чтобы увеличить поглощение, надо было как-то избавиться от возбужденных молекул, отделить их от молекул, которые находились в основном состоянии. Но совокупность одних только возбужденных молекул будет уси­ливать проходящее через нее резонансное излучение! С помощью такой усиливающей (активной) среды можно возбудить в резонато­ре незатухающие колебания, т. е. получить генерацию когерентного электромагнитного поля. В этом случае активная среда будет вы­полнять ту же функцию, что и электронная лампа в обычных гене­раторах радиодиапазона.

Квантовая электроника. Использование в качестве активного элемента в радиотехнических схемах атомов и молекул, находящих­ся в возбужденных квантовых состояниях, положило начало ново­му разделу науки — квантовой электронике. Первые квантовые ге­нераторы электромагнитного излучения на пучке возбужденных молекул аммиака были созданы в 1954—1955 гг.в лаборатории коле­баний Физического института АН СССР Н. Г. Басовым и А. М. Про­хоровым и американским ученым Ч. Таунсом в радиационной ла­боратории Колумбийского университета в Нью-Йорке.

В молекулярных квантовых генераторах осуществлялось непо­средственное разделение молекул с помощью специальной конфигу­рации электрического поля. Это поле отклоняло пролетающие возбужденные и невозбужденные молекулы первоначального пучка в разные стороны. В результате этого в одном из отклоненных пуч­ков получалось избыточное содержание возбужденных молекул, а в другом — невозбужденных.

Однако такой способ получения среды с инверсной заселенно­стью нельзя использовать в случае жидкостей и твердых тел. В отличие от разреженного газа, в этих плотных (конденсированных) средах взаимодействие между составляющими их атомами и моле­кулами достаточно велико, и непосредственная сортировка возбуж­денных и невозбужденных молекул оказывается невозможной.

Способ получения инверсной заселенности, пригодный также и для конденсированных сред, был предложен в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. В этом методе инверсия достигалась с помощью вспомогательного излучения определенной частоты по так называе­мой трехуровневой схеме. В ней использовались три квантовых со­стояния молекулы: основное состояние с энергией Е0 и два возбу­жденных состояния с энергиями Ех и Е2 > Ег.

При нормальной заселенности число молекул п находящихся в состоянии с энергией Ehубывает с увеличением энергии, т. е. п2 <        < по. Если теперь на среду подействовать достаточно силь­ным излучением с частотой то новые заселенности уровней л*0 и п*2 за счет вынужденных пе­реходов почти сравняются между собой: п*0 ж п*2 «   , и на уровне 2 может оказаться больше молекул, чем на уровне 1: п*2 > пг, т. е. эти уровни окажутся инверсно заселенными и смогут усиливать излучение на частоте:             v21  =  —-—- (рис. 6.3).

Этот метод был использован в квантовых усилителях и генера­торах СВЧ диапазона (мазерах), работающих на специальных (пара­магнитных) кристаллах. Подобные усилители при охлаждении их до сверхнизких температур могут обеспечить очень высокую чув­ствительность радиоприемных устройств, что особенно важно для систем сверхдальней радиолокации и связи, а также для радиоастро­номии, которая исследует радиоизлучение от космических источ­ников.

Следующий шаг на пути продвижения квантовой электроники в оптический диапазон был сделан в 1958 г. А. М. Прохоровым, кото­рый предложил использовать для квантовых генераторов так на­зываемый открытый резонатор — систему из двух параллельных зеркал. Такой резонатор имеет уже совсем «оптическую внешность» и не похож на классический колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Тем не менее обе эти си­стемы выполняют примерно одну и ту же функцию в схеме генера­тора электромагнитных колебаний, только каждая из них приспо­соблена для своего диапазона частот.

 

Итак, все необходимые этапы, предшествовавшие созданию оп­тических квантовых генераторов, были пройдены — предыстория лазеров закончилась. В 1960 г. американский физик Т. Мейман создал первый лазер.

 

 

 

 

|
Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top