Что такое пространственная когерентизация?

[Фёдор Менде]

Волновые процессы обладают удивительным свойством, которое связано с интерференцией (наложением) колебаний в пространстве. Если при помощи колеблющегося стержня возбуждать колебания водной поверхности, то мы увидим расходящиеся круговые волны. Если использовать два стержня, колеблющихся с одинаковой частотой, расположенных на некотором расстоянии, то картина резко измениться. Причём эта картина будет зависеть теперь не только от расстояния между штырями, но и от фазы колебаний штырей. Варьируя расстояния между штырями и фазы их колебаний, можно добиться того, чтобы волновой процесс распространялся преимущественно в том или ином направлении, или в нескольких направлениях сразу. Этот процесс легко видеть, наблюдая биения крыльев пчелы, упавшей в воду. Указанный принцип используется во всех системах, обеспечивающих направленное распространение волновой энергии: радиолокаторы, гидролокаторы, лазеры.
Но, оказывается, этот принцип может быть использован для создания направленных пучков волновой энергии даже в том случае, когда в нашем распоряжении имеется большое количество некогерентных источников излучения. Все видели, что свет Солнца, прошедший через небольшое отверстие (это особенно хорошо видно в тёмной комнате) представляет прямой практически не расходящийся луч. Сразу заметим, что у такого луча от точечного источника, например звезды расхождение практически отсутствует, и такой луч ничем не отличается от луча лазера, с той лишь разницей, что он полихроматичен. Но если бы звезда состояла только из светящихся ионов например неона, то такой луч от луча неонового лазера ничем бы не отличался. Вот вам и лазер, только несколько другой конструкции.
В чём же здесь дело и действительно ли луч искусственного лазера и лазера, созданного таким странным образом ничем не отличаются. Да такие лучи имеют совершенно одинаковые свойства. Но почему? А виной тому всё та же интерференция. На далёкой звезде имеется громадное количество некогерентных излучателей и поэтому их энергия равновероятно распространяется во все стороны. Но на очень больших расстояниях в данной точке пространства складывается энергия только когерентных (совпадающих по фазе) излучателей из множества других, расположенных на этой планете.
На очень большом расстоянии в данной точке поток лучевой мощности дают только те колебания, которые, придя в эту точку, совпадают по фазе, т.е. когерентны. Те же колебания которые, придя в данную точку, будут не когерентны,  вычтутся и потока мощности не дадут. Но они в какой-то другой точке, столь же удалённой от звезды, совпадут по фазе и станут когерентными. Поэтому на очень большом расстоянии от некогерентного источника за счёт процессов интерференции происходит когерентизация излучения. Если хотите, удалённая звезда это лазер со сферическим когерентным излучением. Удостоверится в этом очень просто. Для этого следует лишь в непрозрачном экране проделать небольшое отверстие и пропустить свет через него.
Оказывается, что доля излучателей от общего их числа, дающих когерентное излучения в данной точке,  невелика и равна отношению площади сечения пучка к площади поверхности сферы, радиус которой равен расстоянию до звезды. Этот очевидный процесс, на который никто ранее внимания не обращал, и назовём пространственной когерентизацией.
Возникает вопрос относительно монохроматичности и длине когерентности такого пучка. Если бы звезда излучала одну узкую спектральную линию, то длина когерентность была бы велика и определялась шириной этой спектральной линии, но поскольку свет звезды не монохроматичен, то и длина когерентности такого луча невысока. Улучшить её можно при помощи узкополосного фильтра, который выделит ту или иную полосу частот.

[Пим]

В общем, это правильные рассуждения. И, отчасти, известные: в оптике есть теорема Ван-Циттерта-Цернике, доказывающая, что оптическое поле даже некогерентного излучателя (например, диска Солнца) пространственно когерентно в угле порядка отношения средней длины волны к размерам излучателя.  

Принцип когерентного сложения (линейной суперпозиции) электромагнитных и других полей широко используется в физике. Постепенно он обобщается, с учетом нелинейных эффектов. Одно из любопытных следствий нелинейной обработки сигналов - возможность достижния угловой разрешающей способности РЛС, не зависящей от длины волны излучения и раскрыва (диаметра) антенны. Образно говоря, антенна диаметром с копеечную монету может дать то же угловое разрешение, что и громадина диаметром в 20 метров. Если, конечно, применить метод нелинейной обработки сигналов, регистрируемых в пределах этой "монетки". Пределы разрешающей способности определяются шумами, а не геометрией антенны.

Есть и другое следствие упомянутого принципа нелинейной обработки сигналов: несостоятельность так называемого "микроскопа Гейзенберга" в хрестоматийном пояснении соотношений неопределенности. Разрешающая способность этого "микроскопа" определяется вовсе не длиной волны и угловой апертурой объектива. Рассуждая далее, можно усомниться в правоте копенгагенской  философии КМ.  

[Фёдор Менде]

Немного изменил текст.

[Фёдор Менде]

В общем, это правильные рассуждения. И, отчасти, известные: в оптике есть теорема Ван-Циттерта-Цернике, доказывающая, что оптическое поле даже некогерентного излучателя (например, диска Солнца) пространственно когерентно в угле порядка отношения средней длины волны к размерам излучателя.  

Принцип когерентного сложения (линейной суперпозиции) электромагнитных и других полей широко используется в физике. Постепенно он обобщается, с учетом нелинейных эффектов. Одно из любопытных следствий нелинейной обработки сигналов - возможность достижния угловой разрешающей способности РЛС, не зависящей от длины волны излучения и раскрыва (диаметра) антенны. Образно говоря, антенна диаметром с копеечную монету может дать то же угловое разрешение, что и громадина диаметром в 20 метров. Если, конечно, применить метод нелинейной обработки сигналов, регистрируемых в пределах этой "монетки". Пределы разрешающей способности определяются шумами, а не геометрией антенны.

Есть и другое следствие упомянутого принципа нелинейной обработки сигналов: несостоятельность так называемого "микроскопа Гейзенберга" в хрестоматийном пояснении соотношений неопределенности. Разрешающая способность этого "микроскопа" определяется вовсе не длиной волны и угловой апертурой объектива. Рассуждая далее, можно усомниться в правоте копенгагенской  философии КМ.  

Многие не понимают того простого обстоятельства, что разрешающая способность и чувствительность определяются не какими-то квантовыми пределами, а потерями,  шумовыми параметрами  аппаратуры, способами обработки сигнала и временем отпущенным на такую обработку. Например, излучить любую мощность можно при помощи сколь угодно малого элемента по сравнению с длиной волны, только необходим трансформатор с большим коэффициентом трансформации без потерь для согласования сопротивления излучения антенны с передающим трактом. Можно путём синхронного детектирования выловить сигнал, уровень которого на много меньше внешних шумов, только для этого нужно время. Можно 20-ти метровую антенну заменить пятикопеечной монетой, но для этого нужно суметь избавиться от тепловых шумов. Многое можно! Единственно чего нельзя, так это верить безграмотным физикам (учдурам), которые дальше таблицы умножения ничего видеть не умеют. 

[Пим]

Единственно чего нельзя, так это верить безграмотным физикам (учдурам), которые дальше таблицы умножения ничего видеть не умеют. 

Жестко, но, в целом, верно, Федор Федорович!
Если уж большие физики порой заблуждаются, то что говорить о заурядных, но спесивых и крикливых учдурах, ошивающихся на форумах.
Самое главное - не следует унижать человека за неизбежные порой неточности в его словах и делах. Не ошибается лишь тот, кто ничего не делает.  Но у учдуров, с их электронными мозгами и машинками вместо души, своя дурацкая и злобная идеология - давить, высмеивать, врать. Между тем, великий человек (конечно, в науке, но, скажем, не в политке), как правило, незлоблив и добродушен. А если ошибается - на его ошибках учатся и он, и его последователи. 

Немного о заблуждениях великих. Дирак в своем знаменитом учебнике (ПКМ) прямо заявил, что интерференция двух разных фотонов невозможна и фотон "интерферирует только с самим собой". Какое-то время публичных возражений этой оригинальной мысли не было заметно.  Но прошло несколько лет и инженеры, не читавшие учебника Дирака, создали когерентные оптические системы связи, в которых принимаемый оптический сигнал интерферирует с оптическим сигналом от местного гетеродина (как в обычном гетеродинном радиоприемнике).
Впрочем, еще позже нашлись апологеты неудачной фразы Дирака. Мол, "один и тот же" фотон приходит и от удаленного источника, и от источника местного (оптического гетеродина). Вот такая хитрая эта теория - квантовая механика.  Казуистика и демагогия - великая сила... .   

[aid]

Немного о заблуждениях великих. Дирак в своем знаменитом учебнике (ПКМ) прямо заявил, что интерференция двух разных фотонов невозможна и фотон "интерферирует только с самим собой". Какое-то время публичных возражений этой оригинальной мысли не было заметно.  Но прошло несколько лет и инженеры, не читавшие учебника Дирака, создали когерентные оптические системы связи, в которых принимаемый оптический сигнал интерферирует с оптическим сигналом от местного гетеродина (как в обычном гетеродинном радиоприемнике).
  

1. Дайте, пожалуйста, ссылку на фразу Дирака.
2. Вы хотите сказать, что созданы источники света со столь большим временем когерентности?

[Пим]

1. Дайте, пожалуйста, ссылку на фразу Дирака.
2. Вы хотите сказать, что созданы источники света со столь большим временем когерентности?

1. Дирак  ПКМ  М. Наука 1979 г. стр. 21 (#3), с 20 до 22 строчки сверху.   
   Книга наверняка есть в Инете.
2.Источники с длиной когерентности в километры, даже полупроводниковые, - уже вчерашний день техники.
   Когерентные системы оптической связи известны с 70-80-х годов (сведения можно найти по Гуглу; на эту тему есть, например,  старая монография Шереметьева).
   В когерентных ВОСП интерферируют "фотоны" даже  разных частот, поэтому софизм утверждения, что это интерферирует сам с собой "один фотон",  уж совсем очевиден.

 

[aid]

1. Дирак  ПКМ  М. Наука 1979 г. стр. 21 (#3), с 20 до 22 строчки сверху.   
   Книга наверняка есть в Инете.
2.Источники с длиной когерентности в километры, даже полупроводниковые, - уже вчерашний день техники.
   Когерентные системы оптической связи известны с 70-80-х годов (сведения можно найти по Гуглу; на эту тему есть, например,  старая монография Шереметьева).
   В когерентных ВОСП интерферируют "фотоны" даже  разных частот, поэтому софизм утверждения, что это интерферирует сам с собой "один фотон",  уж совсем очевиден.

При длине когерентности в километры время когерентности будет стотысячные доли секунды, т.е. интерференцию можно будет "наблюдать" на протяжении этих стотысячных долей.
  А каким образом могут интерферировать волны разных частот? Тут Вы, очевидно, имеете ввиду какое-то не совсем традиционное понятие интерференции.

[Фёдор Менде]

При длине когерентности в километры время когерентности будет стотысячные доли секунды, т.е. интерференцию можно будет "наблюдать" на протяжении этих стотысячных долей.
  А каким образом могут интерферировать волны разных частот? Тут Вы, очевидно, имеете ввиду какое-то не совсем традиционное понятие интерференции.

Вот остолоп. Интерференция это наложение. Если интерферируют (накладываются друг на друга) в пространстве две волны с разными частотами, то образуются пространственные биения.

[Пим]

При длине когерентности в километры время когерентности будет стотысячные доли секунды, т.е. интерференцию можно будет "наблюдать" на протяжении этих стотысячных долей.
  А каким образом могут интерферировать волны разных частот? Тут Вы, очевидно, имеете ввиду какое-то не совсем традиционное понятие интерференции.

Это очень просто. Представьте, что интерферируют волны одной частоты, но у одной из волн плавно, по линейному закону, изменяется фаза. Максимумы и минимумы интерференционной картины начинают перемещаться. Скорость изменения фазы и есть разность частот, если описывать интерференцию как результат сложения волн с разными частотами. Неподвижный приемник регистрирует низкочастотные сигналы (биения) на разностной частоте.
Это явление давным-давно используется в радионавигации, в частности в авиации.

То, что "фотоны" могут интерферировать, подобно радио- и звуковым волнам, от разных источников, Дираку, наверное, не было известно.

Федор Федорович, Аид, наверное, хороший специалист в другой области физики.

[Фёдор Менде]

Да нет, он типичный провокатор из ортодоксов, которые защищают своих апостолов типа Эйнштейна и Ландау. Это их кормушка.

[aid]

Это очень просто. Представьте, что интерферируют волны одной частоты, но у одной из волн плавно, по линейному закону, изменяется фаза. Максимумы и минимумы интерференционной картины начинают перемещаться. Скорость изменения фазы и есть разность частот, если описывать интерференцию как результат сложения волн с разными частотами. Неподвижный приемник регистрирует низкочастотные сигналы (биения) на разностной частоте.
Это явление давным-давно используется в радионавигации, в частности в авиации.

То, что "фотоны" могут интерферировать, подобно радио- и звуковым волнам, от разных источников, Дираку, наверное, не было известно.

Так я и пишу:  "Тут Вы, очевидно, имеете ввиду какое-то не совсем традиционное понятие интерференции".
   По поводу интерференции фотонов, посмотрите у Глаубера в книге Оптическая когерентность и статистика фотонов.
   И Вы не пояснили, как может наблюдаться интерференция при времени когерентности в стотысячные доли секунды.

[Пим]

Так я и пишу:  "Тут Вы, очевидно, имеете ввиду какое-то не совсем традиционное понятие интерференции".
   По поводу интерференции фотонов, посмотрите у Глаубера в книге Оптическая когерентность и статистика фотонов.
   И Вы не пояснили, как может наблюдаться интерференция при времени когерентности в стотысячные доли секунды.

Традиционное понятие, дальше некуда. Это основы классической оптики.
По теме "интерференция фотонов" - море литературы, в том числе и старая статья Глаубера.

Интерференция может наблюдаться при времени когерентности источника и в тысячу раз меньше указанного. Все дело не во времени когерентности, а в разности хода (или времени задержки) интерферирующих волн. Даже в белом свете, при длине когерентости в несколько мкм и меньше, в интерферометрах можно наблюдать стабильную интерференционную картину - это тоже из учебника оптики для студентов 1-го курса (кольца Ньютона и др.).    

"При длине когерентности в километры время когерентности будет стотысячные доли секунды" - здесь вы ошиблись раз в 300: километр, деленный на скорость света... сколько секунд?   

[aid]

> Традиционное понятие, дальше некуда. Это основы классической оптики.

Ну, традиционно, интерференция - наложение волн, при котором результирующая интенсивность не равна сумме интенсивностей каждой волны. Интенсивность определяется усредненно за промежуток времени много больше периода колебаний. При наложении волн с сильно различающейся частотой усредненная интенсивность будет равна сумме интенсивностей, по идее. Впрочем, это вопрос определения.

> Интерференция может наблюдаться при времени когерентности источника и в тысячу раз меньше указанного. Все дело не во времени когерентности, а в разности хода (или времени задержки) интерферирующих волн. Даже в белом свете, при длине когерентости в несколько мкм и меньше, в интерферометрах можно наблюдать стабильную интерференционную картину - это тоже из учебника оптики для студентов 1-го курса (кольца Ньютона и др.).    

Пим, не забывайте, что мы говорим об интерференции излучений от различных источников, а интерференцию в интерферометрах, кольца Ньютона и т.д. получают делением волны от одного источника. Поэтому в этом случае действительно важна длина когерентности. А вот при наблюдении интерференции от различных источников оптического излучения для наблюдения стабильной картины важно именно время когерентности, т.к. на протяжении достаточно большого времени надо наблюдать наложение волн с неизменной разностью фаз (для поделенной волны от одного источника эта разность фаз будет определяться только разностью хода разделенных волн). Поэтому я и ставлю вопрос о времени когерентности. Не думаю, что на сегодняшний день это возможно - наблюдать стабильную интерференционную картину от двух источников оптического излучения. У Вас другие сведения?

"При длине когерентности в километры время когерентности будет стотысячные доли секунды" - здесь вы ошиблись раз в 300: километр, деленный на скорость света... сколько секунд?    

Скорость света 300 тысяч км/c. 1 км/300 тыс=одна трехсоттысячная. При длине когерентности 3 км время когерентности одна стотысячная доля секунды. В чем я ошибся? Или для Вас стотысячная доля секунды = сто тысячных долей секунды?

[Пим]

Не думаю, что на сегодняшний день это возможно - наблюдать стабильную интерференционную картину от двух источников оптического излучения. У Вас другие сведения?

Посмотрите, например, эти древности:

Nature 198, 255 - 256 (20 April 1963);
Interference Fringes Produced by Superposition of Two Independent Maser Light Beams
G. MAGYAR & L. MANDEL

А немного поновее -  А. Г. Шереметьев,  "Когерентная волоконно-оптическая связь", М., Р.и С., 1991 г.

[aid]

Посмотрите, например, эти древности:

Nature 198, 255 - 256 (20 April 1963);
Interference Fringes Produced by Superposition of Two Independent Maser Light Beams
G. MAGYAR & L. MANDEL

А немного поновее -  А. Г. Шереметьев,  "Когерентная волоконно-оптическая связь", М., Р.и С., 1991 г.

Нет ли статьи в свободном доступе в сети?
Пим, я имел ввиду оптическое излучение в узком смысле слова - излучение, воспринимаетмое зрением - 400-800 нм. Мазеры не дают оптического излучения в узклм смысле слова.



  В сети я Шереметьева не нашел. У него есть про интерференцию оптического излучения от независимых источников - или снова радио- и микроволны?

[Пим]

Нет ли статьи в свободном доступе в сети?
Пим, я имел ввиду оптическое излучение в узком смысле слова - излучение, воспринимаетмое зрением - 400-800 нм. Мазеры не дают оптического излучения в узклм смысле слова.
  В сети я Шереметьева не нашел. У него есть про интерференцию оптического излучения от независимых источников - или снова радио- и микроволны?

"Оптический мазер" это и есть лазер, так раньше его называли.
В статье G. MAGYAR & L. MANDEL, если мне не изменяет память, регистрировали картину интерференции от двух разных рубиновых лазеров - длина волны около 0.69 мкм. Картина, действительно, была устойчива за короткое время когерентности, и фиксировалась в импульсном режиме передающей телевизионной трубкой (вроде бы так). Были и другие похожие публикации  (Мазумдера  и др.). Выпуск Nature, наверняка, можно извлечь в Инете, знатоки сумеют.

Книга Шереметьева целиком посвящена оптическому диапазону.

[aid]

"Оптический мазер" это и есть лазер, так раньше его называли.
В статье G. MAGYAR & L. MANDEL, если мне не изменяет память, регистрировали картину интерференции от двух разных рубиновых лазеров - длина волны около 0.69 мкм. Картина, действительно, была устойчива за короткое время когерентности, и фиксировалась в импульсном режиме передающей телевизионной трубкой (вроде бы так). Были и другие похожие публикации  (Мазумдера  и др.). Выпуск Nature, наверняка, можно извлечь в Инете, знатоки сумеют.

Спасибо. На досуге попробую найти. Впрочем, Вы подтверждаете, что наблюдать интерференцию невооруженным глазом от независимых источников вряд ли возможно из-за малого времени когерентности.

[Фёдор Менде]

Уважаемы, Пим, я очень высоко ценю Вашу квалификацию и принципиальность в вопросах науки. Поэтому ещё раз хочу  высказать свою точку зрения по поводу того, кто такой aid , с которым Вы ведёте полемику. Во первых aid  еврей. Но употребляя это слово, я вовсе не хочу бросить тень на всех евреев. Среди них имеется громадное количество честных и порядочных людей и больших тружеников, среди которых и у меня имеются хорошие знакомые. Употребляя это слово по отношению к aid я хочу подчеркнуть, что он относится к той части этого народа,  типичными представителями которого являются Ландау и Гинзбург. Это их усилиями ещё во времена СССР было начато создание шовинистических кланов в физике, о результатах деятельности которых написано очень много, в частности читайте воспоминания А. А. Рухадзе http://fmnauka.narod.ru/Ruhadze.pdf  , Л. К. Фионовой http://fmnauka.narod.ru/Gr.pdf  .
Эти кланы превратили физику в свою кормушку, организовав в ней застой и коррупцию.
То ужасное положение, которое имеется в физике на сегодняшний день, обязано деятельности именно этих кланов.
Для защиты интересов указанных кланов в своё время при Президиуме РАН по инициативе нобелевского лауреата академика Гинзбурга была создана комиссия по борьбе с лженаукой, которая является ни чем иным как современной научной инквизицией. Эта комиссия организовала так называемые физические форумы на сайтах государственных учреждений таких как ФИАН, МГУ, МИФИ при журнале "Наука и жизнь" и других ресурсах.      
http://phorum.lebedev.ru/viewforum.php?f=26
http://www.dubinushka.ru/forums
http://dxdy.ru/diskussionnye-temy-f-f29-0.html
http://corum.mephist.ru/index.php?showforum=120
http://www.nkj.ru/forum/forum10/
http://live.cnews.ru/forum/index.php?&showforum=259
Подкупленные модераторы: Морозов, Перегудов, Photon, Homo Sapiens, Moving Observer, Кровавая Гебня, Татьяна Зимина, Татьяна Kech,  и толпы платных и бесплатных наёмников: Homo Sapiens, Andre De Pure, Корочун, Neper, Фрико Делькин,  ВЕТЕР ИЕРЕМЕН,  Satyr, Наш пулемётчик, theprotoss, cpr, lulin, Universum , круглосуточно дежурящих у компьютеров, ведут пропагандистскую работу по защите интересов шовинистических кланов. Их главной идеологической установкой является доказательство непогрешимости их гуру Ландау и Гинзбурга. В работах этих гуру уже обнаружено много ошибок, об этом писал и А. А. рухадзе,  и я и многие другие учёные. Но воз и ныне там. Сейчас в МГУ готовится очередное переиздание трудов Ландау со всеми имеющимися там ошибками. Так как это назвать?
К группировке защитников Ландау принадлежит и aid и это очень легко проверяется. В теме http://bolshoyforum.com/forum/index.php?topic=90496.0 имеется элементарный тест для выявления провокаторов подобных aid . В трудах Ландау имеются настолько элементарные ошибки, что они уже даже школьникам понятны. В указанной теме и сформулированы указанные ошибки (ну например совершенно ясно, что тот параметрк, который Ландау называет диэлектрической проницаемостью плазмы в действительности является её реактивной проводимостью, делённой на частоту), и имеется просьба к проверяемомому на предмет провокационной деятельности признать эти ошибки. Так вот, никто из указанных провокаторов, в том числе aid , Alexpo, КАСТРО эти ошибки признавать не хотят, всячески защищая и выгораживая своих гуру.

[Фёдор Менде]

А теперь по существу обсуждаемого вопроса. aid имет очень низкий уровень физического образования, он обычный начётчик и  не понимает физического смысла понятия длины когерентности. Он не понимает, что если излучатель излучает абсолютно монохроматический сигнал в течении бесконечно большого времени, то и длина когерентности равна бесконечности. Длина когерентности единичного излучателя, излучающего в свободном режиме прямым образом связана с добротностью такого излучателя. Поскольку добротность равна значению круговой частоты, умноженному на время звучания вибратора (время за которое амплитуда ЭМ волн, излучаемых вибратором, уменьшается в е раз), то и длина когерентности исчисляется как время звучания, умноженное на скорость света. Если же имеется большое количество вибраторов, и фазы их не сфазированы, как например у люминисцентной рекламы, то говорить о длине когерентности не имеет смысла. И только в том случае, когда удаётся сфазировать колебания отдельных атомов при помощи внешнего макроскописческого резонатора и получить направленный луч, что без фазировки естественно сделать нельзя, имеет смысл говорить о длине когерентности. Но даже в этом случае при ударном возбуждении, как например в рубиновом лазере, длина когерентности ограничена добротностью колебаний атомов хрома. Другое дело, если возбуждение осуществляется параметрическим образом, т.е. когда система превращается в автогенератор световых колебаний, а это означает, что добротность такой системы стремится к бесконечности, можно получить очень большие длины когерентности. Но эти элементарных вещей aid просто не может понять, т.к. будучи начётчиком, воспитанным на таких же трудах Ландау, он преследует на форуме совершенно другие цели. А эти цели заключаются не в установлении научной и стины, а в защите любыми методами того клана, который в своё время Ландау и организовал.