Некогерентное и когерентное излучение

Большинство обычных источников света не дают однородное сочетание непрерывных электромагнитных волн. Представим, что мы наблюдаем излучение света раскаленной металлической нитью лампы накаливания в чрезвычайно замедленной съемке. Нить накаливания состоит из огромного количества металлических ионов, которые колеблются при возбуждении их электронной бомбардировкой электрической цепи.

Но каждый ион начинает колебаться в большой степени независимо от соседних ионов. Излучение полностью зависит от того, где и как часто ионы оказываются под возбуждающим воздействием. Во время движения иона электроны скачкообразно накапливают или теряют энергию, вырабатывая излучение определенной интенсивности, опять же, в достаточной степени независимо от соседних ионов.

При такой «замедленной съемке» мы можем наблюдать бесчисленные серии волн различной длины, длительности и амплитуды. Фазы волн, их пики и долины также не совпадают. Мы не воспринимаем неупорядоченности такого излучения, поскольку случайное излучение бесчисленных ионов металла составляет однородный электромагнитный шум. Такое смешанное, неупорядоченное излучение называется некогерентным.

Даже монохроматический свет, составленный из волн одной длины некогерентный. Хотя длина волны и частота излучения по-прежнему не совпадают. Металлические ионы, вырабатывающие электромагнитное излучение колеблются независимо друг от друга.

Если бы мы изменили обычные лучи так, чтобы серии волн одной и той же длины совпадали по фазе, то в результате получилось бы когерентное излучение. Для наглядности можно свести выработку такого излучения к поддержанию искусственно возбужденных электронов на высоком энергетическом уровне до тех пор, пока все электроны не достигнут этого уровня, и затем одновременному их «отпусканию». Таким образом, излучение испускается везде одновременно, и жестко связано с волнами, излучаемыми каждым соседним ионом металла.

Одним из средств выработки когерентного излучения является лазер — сокращение от слов «light amplification by stimulated emission of radiation» (усиление света за счет вынужденного излучения). Простейший вид лазера — твердотельный лазер, изобретенный в 60-х годах. Здесь свет ксеноновой импульсной лампы стимулирует ионы хрома в рубиновом кристалле стержневидной формы.

Освещение импульсной лампы возбуждает электроны ионов до более высокого энергетического уровня, где они могут оставаться в течение некоторого времени. Когда они возвращаются на базовый энергетический уровень, они испускают излучение, которое в свою очередь побуждает другие возбужденные ионы к возвращению на базовый уровень. Два торца стержневидного кристалла рубина отшлифованы, отполированы в параллельных плоскостях и покрыты серебром. Такая структура заставляет свет отражаться от параллельных граней кристалла и перемещаться в обоих направлениях внутри кристалла, увеличивая вероятность попадания на большее количество ионов хрома и побуждения их к излучению света. Благодаря этому возникает еще большее количество квантов света, которые, в свою очередь отражаются от граней кристалла и усиливают процесс излучения.

Если одна из граней кристалла полупрозрачна, часть фотонов может выходить из кристалла. Кроме твердотельных существуют газовые, жидкостные и полупроводниковые лазеры. Все эти виды лазеров дают исключительно плотные пучки когерентного излучения.