Когерентностью в общем случае называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Термин происходит от латинского слова cohaerens — находиться в связи, быть сцепленным (именно поэтому чувствительный элемент первого радиоприёмника — «грозоотметчика» — назывался когерером: под действием электромагнитного импульса от молнии или сигнала передатчика железные опилки в его стеклянной трубке сцеплялись, становясь хорошим проводником).
Монохроматические волны когерентны, если разность фаз остаётся постоянной во времени (временнaя когерентность) или по мере распространения (пространственная когерентность). При сложении когерентных волн их амплитуды суммируются. Вспомним, как происходит излучение на атомном уровне. Получая энергию за счёт нагрева вещества, пропускания электрического тока или других источников, электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень. Опускаясь на нижний, основной, уровень, они излучают фотоны.
Энергию фотонов и, следовательно, их частоту ? определяет разность уровней энергии: ?E = h?, где h — постоянная Планка. На нижний уровень электрон может опуститься по одному из двух сценариев: либо самопроизвольно (спонтанно), либо за счёт взаимодействия с посторонним фотоном, имеющим ту же энергию ?E. Во втором случае излучение атома называется вынужденным, или индуцированным. Излучение обычных источников (тепловых, вроде лампочек накаливания, плазменных, типа люминесцентных ламп) происходит по первому сценарию.
Атомы вещества излучают несогласованно, поэтому их излучение некогерентно, и с разных энергетических уровней, то есть оно немонохроматично. А когерентное излучение способен генерировать только лазер. В классическом лазере (в том числе рентгеновском — разере) создаётся инверсия электронной населённости — в результате поглощения энергии (накачки) в атомах рабочего тела на высоком уровне электронов больше, чем на низком (в обычных условиях наоборот).
Причём на этом уровне электроны остаются достаточно долго, чтобы дождаться постороннего фотона (это состояние называется метастабильным). Излучённый индуцированный фотон имеет те же фазу и частоту, что и вынуждающий, — по веществу движутся уже два когерентных фотона. Дальше происходит лавинообразное нарастание интенсивности когерентного и монохроматичного лазерного излучения. Когерентность излучения лазера на свободных электронах достигается другим путём — выбором геометрии ондулятора, при которой электроны собираются в сгустки, излучающие синхронно.
Так возникает лазерное излучение. Энергия накачки (скажем, мощная световая вспышка) переводит электрон атома с основного энергетического уровня на более высокий (а). Пролетающий фотон вынуждает электрон опуститься на нижний уровень, излучив фотон той же частоты и в фазе с пролетевшим. По веществу движутся два когерентных фотона (б). Следующее взаимодействие со встречными атомами порождает уже четыре фотона (в), затем восемь и т. д. Их число стремительно нарастает, и лазер генерирует когерентное монохроматическое излучение.
Материал создан: 23.09.2015
