Когерентность колебательных и волновых процессов

Несколько источников колебаний считаются когерентными, если разность фаз колебаний оказывается независимой от времени. Простейший пример: одинаковые гармонические колебания, сдвинутые по фазе относительно друг друга. Если взять декартову систему координат и нарисовать в ней графики функций описывающих такие колебания, то они отличаются только положением, но не формой. Результат сложения таких периодических колебаний также является периодическим колебанием.

Если независимой переменной в уравнениях колебаний является время, то говорят о временной когерентности, если координата – о пространственной когерентности. В общем случае речь может идти о любых величинах, даже не имеющих физического смысла. В результате сложения когерентных в пространстве волн получается некая статическая картина распределения интенсивности колебаний. Если речь идет о волнах видимого света, то говорят об интерференции. Когерентность – необходимое условие наблюдения интерференции.

Можно рассмотреть три отдельных случая:

  • Сложение одномерных колебаний.
  • Сложение двумерных колебаний.
  • Сложение колебаний в пространстве.

Первый случай не очень интересен и рассмотрен выше. В качестве примера плоской интерференционной картины возьмем ту, которая возникает при сложении двух когерентных колебаний на воде. Как добиться когерентности в данном случае? Например, взять два одинаковых поплавка и заставить колебаться относительно поверхности воды с одинаковой частотой. Складываясь, волны от поплавков образуют любопытную картину, которую многие наблюдали на практике:

Когерентность колебательных и волновых процессовЭто типичный пример пространственной когерентности, когда сами колебания происходят в направлении плоскости распространения волны.

Рассматривая трехмерный случай нельзя не упомянуть о голографии, требующей от источников излучения чрезвычайно высокой степени когерентности. Добиться ее можно лишь с применением лазеров – оптических квантовых генераторов. Лазер – лучший инструмент для получения электромагнитного излучения строго определенной длины волны. Благодаря дифракционному эффекту Брэгга сегодня получают так называемые трехмерные голограммы. Они образуются путем сложения когерентных оптических колебаний в специальной толстослойной эмульсии. Данная технология используется в научных и развлекательных целях.