Требование длины когерентности для помех

Одним из свойств источников света, которое обычно указывается и которое имеет особое значение при попытке создать интерференционные полосы, является длина когерентности ( или время когерентности ). Уравнение для длины когерентности имеет вид л с "=" с н Δ ф где с это скорость света, н - показатель преломления среды и Δ ф это пропускная способность источника.

Альтернативное описание, которое я видел (но, к сожалению, потерял достойную ссылку), состоит в том, что источник излучает с диапазоном длин волн λ ± Δ λ , л с это длина, на которую свет с длиной волны λ и λ + Δ λ проходит, прежде чем они перейдут от полностью синфазного к полностью противофазному. Из этих определений следует, что идеальный монохроматический источник имеет бесконечную длину когерентности, а широкополосный источник белого света имеет очень короткую длину когерентности.

Это определение меня вполне устраивает, и я вижу, что л с пытается описать. Проблема возникает, когда мы начинаем говорить об ограничениях на то, когда эти неидеальные источники света могут создавать помехи.

Рассмотрим интерферометр Маха-Зиндера (ИМЗ):

интерферометр Маха-Зиндера

всегда утверждается, что для того, чтобы увидеть интерференционную картину через ИМЦ (или для любого другого интерференционного эксперимента), вы должны согласовать длины пути каждого плеча интерферометра с точностью до длины когерентности источника .

Мой вопрос, довольно просто, почему ? Принимая во внимание MZI и приведенное выше определение длины когерентности, я не могу представить себе, почему это должно быть так. Я могу следовать математике MZI (включая введение степени временной когерентности первого порядка : г ( 1 ) ( т ) - вот где этот вопрос впервые возник), но создать физический образ в моей голове оказалось очень сложно.

Думайте о двух мешающих лучах как о копиях друг друга, так что, когда они встречаются, вы мешаете друг другу. Икс ( т ) и Икс ( т + т ) , где т время рассогласования полета. Это помогает?
Да, я вижу изображение, которое вы создаете, но я все еще не понимаю, как существует ограничение для т таким образом, чтобы за пределами этого предела больше не было интерференции лучей.
Определение, которое вы цитируете («они полностью совпадают по фазе, полностью не совпадают по фазе»), неверно. Ключевое слово, которое необходимо добавить, — «случайный». Когда вы сравниваете две точки, разделенные расстоянием, превышающим длину когерентности, соотношение фаз меняется быстро и случайным образом. Когда вы проводите эксперимент с интерференцией, используя детектор медленного света, это изменение будет размыто, устраняя эффект интерференции.

Ответы (1)

Я надеюсь, что изображение ниже может прояснить ситуацию.

длина когерентности

Оставив в стороне формулы, позвольте мне обратиться к концепции.

Длина когерентности л с волнового пакета есть длина волнового пакета, вдоль которой его длина волны стабильна. Чем дольше л с , тем лучше для наших интерференционных экспериментов.

Позволь мне объяснить. Пожалуйста, смотрите рисунок.

Что мы делаем в экспериментах, как и с интерферометром МЗ, так это немного варьируем длину одного из плеч и измеряем интенсивность луча на одном из выходов верхнего светоделителя, например на О в е р т .

Длина когерентности пакетов A и B одинакова, так как мы получили пакеты от одного и того же «родительского» пакета в Б С 1 . Сейчас если л с очень короткая, а руки а и б интерферометра немного отличаются, это как бы когерентная область (постоянная λ ) пакета A, прошедшего через Б С 2 до того, как когерентная область B пришла к Б С 2 . Так что никакого эффекта. Но если л с длинной, мы увидим, что интенсивность при О в е р т зависит от разности длин пути как квадрат косинуса.

Теперь, время согласованности т с в пустоте есть т с "=" л с / с .

Если т с длинна, мы увидим при фиксированной разности хода стабильную интенсивность на исследуемом выходе в течение длительного времени. Как я уже сказал, варьируя разность длин пути, интенсивность для каждой длины пути стабильна, но сравнивая ее для разных длин пути, мы получаем зависимость косинус-квадрат. Сейчас если т с короткий, нам будет трудно наблюдать надежные результаты. Более того, для разности путей немного больше, любой эффект исчезнет, ​​практически, мы будем видеть только ту составляющую пакета, которая пришла позже на светоделитель.

Хорошее начало, но я бы добавил обсуждение частичной согласованности, как упоминалось в некоторых комментариях. Это не просто бинарный случай «согласованного или несогласованного».
@CarlWitthoft: в моей стране полдень, мне нужно отойти от компьютера. Я вернусь позже.
Одна недостающая часть (упомянутая в других комментариях @akrasia) — это время обнаружения. Каждый детектор собирает или интегрирует свет в течение некоторого периода времени, прежде чем выдать результат (это может быть ток, заряд, цифровое считывание...). Для многих практических детекторов время интегрирования составляет порядка секунды или доли секунды. Если время когерентности больше времени интегрирования, то относительные фазы двух лучей фиксируются и возникает интерференция. Если время когерентности меньше времени интегрирования, относительные фазы изменяются случайным образом: помех нет.
@CarlWitthoft: когда кто-то спрашивает об основной концепции, пусть он / она сначала хорошо поймет эту концепцию. После этого, когда концепция понятна, можно добавлять детали. Если есть дополнительные вопросы, человек их задаст.
София, я смиренно не согласен - ваш ответ вводит в заблуждение без обсуждения частичной согласованности.
@CarlWitthoft: Карл, не стесняйтесь публиковать свой ответ. В чем проблема? Если есть что добавить, то, пожалуйста, сообщите нам. Никто не обладает абсолютным знанием. Мы все любим учиться.