Luz coherente e incoherente: fuentes

Definición de luz coherente

¿Qué es la luz coherente? La coherencia se define como consistencia, y eso es exactamente lo que son las ondas coherentes. Para que dos ondas se consideren coherentes, ambas ondas deben tener la misma frecuencia y sus longitudes de onda deben estar en fase entre sí. La definición de luz coherente , entonces, es que cada onda de luz que golpea un detector debe tener la misma frecuencia y sus longitudes de onda deben estar en fase entre sí.

Definición matemática

Matemáticamente, la coherencia de la luz se mide en términos de densidad espectral y mide la relación entre dos ondas. La coherencia, {eq}C_{nm}(\psi) {/eq}, es una función parametrizada, y para dos ondas {eq}\psi_0(t) {/eq} y {eq}\psi_1(t) {/ eq}, la función de coherencia es

{eq}C_{01}(\psi) = \frac{|S_{01}( \psi)|^2}{S_{00}( \psi)S_{11}( \psi)} {/eq}

donde {eq}S_{01}(t) {/eq} representa la densidad espectral cruzada y {eq}S_{00}(t) {/eq} y {eq}S_{11}(t) {/eq} representa la densidad autoespectral de cada onda.

Coherencia Temporal

Dos ondas tienen coherencia temporal si, cuando se miden en un solo lugar, son coherentes en diferentes momentos en la dirección de propagación. La coherencia temporal es una medida de la capacidad de dos ondas para interferir entre sí, y es una medida de la naturaleza monocromática de las ondas. Por ejemplo, para dos ondas con longitudes de onda {eq}\lambda {/eq} y {eq}\lambda + \Delta \lambda {/eq}, las ondas tendrán lugares de interferencia constructiva e interferencia destructiva. Los lugares donde estos puntos de interferencia son constantes son lugares de coherencia temporal. La figura 1 ilustra un ejemplo de coherencia temporal infinita con dos ondas sinusoidales.

Coherencia Espacial

Dos ondas tienen coherencia espacial si, cuando se miden en puntos transversales a la dirección de propagación, son coherentes. La coherencia espacial es una medida de cuán uniforme es un frente de onda, y la alta coherencia espacial es una característica clave que diferencia a los láseres de otras fuentes de luz.

Coherencia Espectral

La coherencia espectral mide la cantidad de coherencia que exhiben dos ondas a una frecuencia dada. La coherencia espectral se usa en el procesamiento de señales para encontrar la frecuencia óptima en la que dos ondas exhiben la máxima coherencia, y también se usa comúnmente en análisis de datos estadísticos para determinar la frecuencia óptima para que ocurra una variable.

Coherencia cuántica

La coherencia cuántica es la capacidad de la función de onda de un solo objeto para dividirse en dos e interferir constructivamente consigo misma y, en la óptica cuántica que estudia los cuantos de luz individuales, la coherencia se refiere al estado de la partícula emisora ​​de luz. Un ejemplo de coherencia cuántica se puede encontrar en los qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas, que se basan en el concepto de coherencia cuántica.

Aplicaciones

La coherencia es un atributo importante de la luz que hace posible muchos inventos modernos. Los dispositivos como los láseres y los proyectores de hologramas se basan en una luz coherente. La luz coherente también se utiliza para dispositivos de diagnóstico médico y en microscopía. La transferencia de información a alta velocidad con fibra óptica no sería posible sin explotar la coherencia de la luz y tampoco lo sería la interferometría que mide la interferencia de las ondas.

Luz incoherente

La luz coherente es luz que contiene ondas cuyas longitudes de onda están en fase entre sí que oscilan todas a la misma frecuencia, y la luz incoherentees justo lo contrario de esto. La luz incoherente es luz que contiene ondas cuyas longitudes de onda no están en fase entre sí y que no oscilan a la misma frecuencia. Los fotones de la luz incoherente no solo oscilan a diferentes frecuencias, sino que también oscilan en diferentes direcciones. Piensa en la luz que proviene de una bombilla incandescente. Esta luz es de un suave color amarillo blanquecino. La luz es más fuerte alrededor de la bombilla y, a medida que la luz se aleja de la bombilla, se difunde y se vuelve más débil. Este es un ejemplo de luz incoherente. Otro ejemplo de luz incoherente es la luz emitida por una bombilla fluorescente, y la mayoría de las fuentes de luz convencionales emiten luz incoherente.

Láser de luz coherente

Un láser es una fuente de luz que emite un haz de luz colimado y coherente, y el término LASER significa Light Amplification Stimulated Emission of Radiation. Un láser de luz coherenteexcita los electrones dentro de un átomo, y esta excitación hace que los electrones se muevan a una órbita de mayor energía alrededor del núcleo del átomo. Los átomos excitados son forzados a través de un medio óptico como un gas o vidrio y solo pueden emerger los átomos con una frecuencia y fase designadas. Los átomos que emergen son coherentes y, a medida que estos átomos coherentes fluyen a través del láser, sus electrones excitados comienzan a regresar a sus estados fundamentales. A medida que los electrones caen a una órbita de menor energía, el exceso de energía que había excitado a los electrones se libera en forma de fotones. La cantidad de energía que absorbe el átomo depende de cuántos orbitales puede saltar un electrón y, a medida que los electrones caen, el color de la luz que se emite depende de qué tan lejos tengan que caer los electrones para alcanzar el estado fundamental.

Luz coherente frente a luz incoherente

La luz coherente y la luz incoherente son opuestas entre sí, y la siguiente lista detalla las diferencias entre la luz coherente y la incoherente:

• La luz coherente es monocromática. La luz incoherente exhibe una gama de colores.
• La naturaleza monocromática de la luz coherente proviene del hecho de que la luz coherente consiste en fotones cuyas longitudes de onda están en fase. El color variado de la luz incoherente surge porque la luz incoherente se compone de fotones cuyas longitudes de onda no están en fase.
• Los fotones en luz coherente oscilan en la misma dirección. Los fotones de luz incoherente oscilan en diferentes direcciones.
• Todos los fotones de luz coherente oscilan a la misma frecuencia. Los fotones de luz incoherente oscilan a diferentes frecuencias.

Resumen de la lección

¿Qué es la luz coherente ? La definición de luz coherente es que la luz coherente es luz que se compone de fotones cuyas longitudes de onda están todas en fase entre sí y cuyos fotones oscilan todos a la misma frecuencia. La coherencia de luz tiene dos partes. La coherencia de la luz tiene coherencia temporal en la dirección de propagación y tiene coherencia espacial que es transversal a la dirección de propagación. La luz coherente se utiliza para fibra óptica, diagnósticos médicos y láseres. Los láseres de luz coherente utilizan la emisión de electrones y un material óptico para crear un haz colimado de luz monocromática.

Lo opuesto a la luz coherente es la luz incoherente . La luz incoherente tiene fotones que oscilan a diferentes frecuencias y cuyas longitudes de onda no están en fase. La luz incoherente es la forma de luz más común, y ejemplos de luz incoherente son las bombillas incandescentes y las bombillas fluorescentes.