Основные представления об источниках световых волн

Источники излучения световых волн.
Каждый вид атомов излучает световые волны вполне определенных и характерных частот. Набор частот световых волн, испускаемых излучающей системой, называется ее спектром. Спектры световых волн газов, где атомы большее время пребывают вне взаимодействия друг с другом, - дискретные, состоят из узких интервалов, наблюдаемых в спектроскопе как цветные лини на темном фоне. Поэтому иногда их называют линейчатыми. Если атомы связаны между собой, образуя твердое тело или жидкость, то их спектры в сильной степени трансформируются. Спектры световых волн, излучаемых твердыми телами и жидкостями, почти сплошные и заполняют широкие интервалы частот.

Для детального описания наблюдаемых в таких ситуациях явлений испускания света и характеристик световых волн необходимо привлекать квантовую механику. Однако, для разбора явлений интерференции света и работы интерферометров вполне достаточно освоить следующие простые представления о свойствах электромагнитных волн основных типов источников света.

Источники естественного света. В так называемых естественных источниках света атомы (молекулы) газа (твердого тела, жидкости) излучают свет независимо друг от друга и не непрерывно, а лишь в течение малых промежутков времени. Типичное время излучения составляет менее одной миллионной доли секунды. Энергия, запасенная на излучение, конечна. Атом, излучая световую волну, теряет энергию. Если атом испустил волну, то для следующего акта излучения, он должен получить энергию извне, или, как говорят, должен быть возбужден. Заранее неизвестно, когда произойдет возбуждение атома и затем излучение света. В таких случаях акты излучения называют спонтанными, т.е. случайными, самопроизвольными.

В результате свет от естественных источников всегда сложен. Он состоит из множества коротких отрезков волн различных частот, различных направлений движения, различных фаз. Эти волны налагаются друг на друга. Поэтому результирующая волна, создаваемая естественным источником, нерегулярна. Причина этой нерегулярности - взаимная независимость, отсутствие какой бы то связи между световыми волнами, испускаемыми отдельными атомами. При наличии воздействия на испускающие свет атомы, которое бы синхронизовало световые волны, в принципе можно получать регулярные и направленные световые волны.

Лазерные источники света. Рассмотрим следующую ситуацию. Если мы начнем освещать среду (специально подобранное прозрачное твердое тело или газ) интенсивным светом, который поглощается этой средой, то атомы среды придут в возбужденное состояние. Вскоре сама среда сама становится излучателем света. Это излучение вначале обусловлено спонтанными переходами атомов, независимыми друг от друга. Однако, имеется возможность появления взаимосвязи между излучением отдельных атомов. Разберем упрощенно такой процесс, называемый индуцированным, стимулированным или вынужденным испусканием. Допустим, один атом испускает световую волну и рядом с ним возникает возбужденный атом, также способный к излучению. В этом случае испускаемое электромагнитное поле первым атомом, начинает действовать на второй атом. Уже существующее поле будет воздействовать на движение зарядов в возбужденном атоме и в результате испускаемая им волна будет синхронизована с волной первого атома. Таким образом, излучение второго атома будет осуществляться под воздействием первой волны, а не самопроизвольно. Возникшая волна с большей силой будет синхронизовать излучение следующего возбужденного атома и т. д. В результате может появиться световая волна с регулярными характеристиками, потому что все атомы будут излучать синхронно.

Чем больше амплитуда колебаний поля, тем активнее пойдет "синхронизации" волн, излучаемых возбужденными атомами. Искусственным путем можно увеличить амплитуду колебаний поля, если расположить среду между параллельными зеркалами, которые бы возвращали большую часть выходящего из среды излучения назад в среду. Также постоянно необходимо наличие достаточного числа возбужденных атомов, способных скомпенсировать уход световой волны за пределы системы "среда + зеркала". Если эти условия выполнены, световая волна, возникшая в результате такой "самосинхронизации" излучений отдельных атомов, будет иметь регулярный вид. За зеркала выходит когерентный и направленный свет. Именно такие электромагнитные волны излучается лазерами - оптическими квантовыми генераторами.

Поиск по сайту: