Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах

Современная оптоэлектроника использует в качестве источников излучения полупроводниковые, твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ). Излучателями света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны атомов (газовые ОКГ), либо электроны проводимости (полупроводниковые ОКГ). В первом случае, переход валентного электрона из возбужденного состояния в невозбужденное сопровождается излучением фотона с энергией

, (2.24)

где h – постоянная Планка;

n – частота соответствующей фотону микроволны.

Во втором случае, излучение фотона происходит в процессе рекомбинации электрона проводимости с дыркой, расположенной в валентной зоне. В обоих случаях время перехода электрона из возбужденного состояния в невозбужденное конечно и составляет величину t_п » 10^-8 с. Время излучения фотона в процессе указанного перехода много меньше, чем t_п и составляет величину t_Ф = 10^-15 с, для l = 1,5 мкм. Условное соотношение между t_п и t_Ф показано на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Поле фотона

За время t_п излучается множество фотонов N_Ф, которое определяется количеством возбужденных электронов в газе или твердом теле. Всегда найдутся фотоны, имеющие одинаковую частоту n, с которой изменяется их поле . Последовательность таких фотонов образует волновой цуг, показанный на рисунке 2.9 .

Нетрудно видеть, что согласно рисунку 2.9, время самовоспроизведения фотона t_Ф одного порядка с периодом T возникшей электромагнитной волны.

Рисунок 2.9 – Волновой цуг

Любой ОКГ за время t_к (в соответствии с рисунком 2.9) излучает не единственный цуг, а множество цугов с незначительно отличающимися частотами. Накладываясь во времени и пространстве, цуги образуют волновой пакет. Внутри волнового пакета цуги интерферируют. В результате интерференции возникают биения векторов , как результат сложения колебаний с близкими частотами. Заметим, что волновой цуг распространяется с фазовой скоростью,

, (2.25)

где n – абсолютный показатель преломления в среде распространения волны;

c » 3 × 10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Волновой пакет распространяется с групповой скоростью

, (2.26)

где – дисперсия фазовой скорости.

Реальное оптическое излучение, генерируемое ОКГ, представляет собой поток волновых пакетов отличающийся от идеальной МЭВ, определенной выше.

Введем понятие когерентности оптического излучения как меры приближения реального излучения к идеальной МЭВ.

Различают временную когерентность и пространственную.

Основной характеристикой временной когерентности является время когерентности t_к. К характеристикам пространственной когерентности относятся: длина когерентности l_К, «радиус» когерентности r_к и объем когерентности V_К.

Понятие когерентности не следует путать с понятием когерентных волн.

По определению, две волны называются когерентными, если они имеют одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз. Из выше сказанного, очевидно, что для реального оптического излучения понятие когерентных волн является идеализированной моделью.