37. Когерентность света

До создания лазеров трудно было получить отчетливое представление о когерентности света. Действительно, наблюдая световые пятна или потоки от классических источников света, мы не в состоянии были сказать, удастся ли отличить это обычно некогерентное излучение от когерентного. Не удивительно, что следы красных пучков первых газовых лазеров произвели ошеломляющее впечатление. Сразу стало очевидно, что мы видим совершенно иной тип излучения, мерцавшего перед нашими глазами, как парча, тысячами светящихся точек.

В классической оптике известно много способов оценки степени когерентности света (определение когерентности мы дадим несколько ниже), хотя — и это следует подчеркнуть — во многих экспериментах некогерентное излучение давало такие же эффекты, как и когерентное. Следовательно, к оценке степени когерентности света следует подходить весьма осторожно.

§ 1. КОГЕРЕНТНОСТЬ СВЕТА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОГО АКТА ИСПУСКАНИЯ АТОМА

В гл. 3 мы рассматривали свет, испускаемый атомом как цуг затухающих электромагнитных волн. Там же была дана оценка длительности испускания т. Представим себе, что два таких цуга волн, распространяющихся в различных направлениях, встретились в точке Р (рис. 37.1). Будем считать, что фазы колебаний в обоих цугах в точке расположения источника одинаковы. Это означает, что два цуга взаимно когерентны. Через некоторое время фронт первого цуга достигнет точки Р, в то время как фронт второго цуга, распространяющегося по более длинному пути, будет вдали от этой точки. Очевидно, что в этих условиях нельзя говорить о взаимодействии, т. е. об интерференции двух волн в точке Р. Взаимодействие будет возможно, лишь если длина цуга превышает разность оптических путей. Поскольку длительность испускания , длина цуга должна быть равна

Рис. 37.1. Относительная расфазировка в точке Р двух цугов волн, излученных атомом в различных направлениях.

На практике хорошие интерференционные картины обычно получаются в условиях, когда разность путей невелика, порядка миллиметра или меньше. Однако иногда, например в известном интер ферометре Фабри — Перо, наблюдаются интерференционные полосы высших порядков; в этом случае разность путей достигает десяткой сантиметров. В плоском интерферометре Фабри — Перо разность оптических путей приближенно равна

где — целое число, — расстояние между параллельными зеркалами. Предполагается, что свет падает на зеркала почти перпендикулярно их поверхности. Положив см, получаем (для

При квантовомеханическом описании электромагнитного поля его обычно представляют с помощью квантованных гармонических осцилляторов. В предыдущей главе было показано, что точно определить число фотонов и их фазы для одного и того же момента времени невозможно. Этому препятствует соотношение неопределенностей

где — неопределенность числа фотонов, — девиация фазы. Таким образом, идеальная когерентность светового потока невозможна.

С точки зрения квантовой механики атом может испустить фотон в произвольном направлении. В этом смысле атом, очевидно, не излучает сферическую волну. Однако если число актов испускания велико, то в среднем во всех направлениях будет излучаться одинаковое число фотонов, и можно сказать, что при этом мы имеем дело со сферической волной. Интерференционные явления выглядят очень просто, если пользоваться неким усредненным представлением об излучении. Мы говорим о световых пучках и лучах, не уточняя значения этих понятий. Эксперимент подтверждает правомерность такого подхода. С помощью источников света, которые можно лишь с большой натяжкой считать точечными, а также щелей и призм мы легко получаем хорошие интерференционные картины (полосы). Наблюдая результаты этих экспериментов, трудно понять утверждение, что согласно работе Дирака [2] два разных фотона не могут интерферировать друг с другом: фотон может интерферировать лишь с самим собой. Однако Поль [3] показал, что возможна интерференция с участием даже большего числа фотонов, чем два. Эти вопросы очень сложны и в то же время чрезвычайно увлекательны. Интересное и доступное их обсуждение содержится в книге «Квантовая физика» Вихмана [4].