Coherencia

definición:
Se determina la relación de fase del campo eléctrico en diferentes posiciones o tiempos.

La coherencia es un concepto muy importante en la óptica, directamente relacionado con el efecto de interferencia de los campos de luz. Cuando se determina la diferencia de fase del campo eléctrico en diferentes posiciones o tiempos, el campo óptico se llama coherente.
La coherencia parcial indica que hay cierta coherencia en la diferencia de fase. Existen diferentes métodos para representar cuantitativamente la coherencia, que se describirán a continuación.  
También se conoce comúnmente como un proceso o tecnología que es coherente o incoherente. En este punto, la coherencia se refiere a ser dependiente de fase. Por ejemplo, la síntesis de haz coherente se refiere a la coherencia mutua entre hazes, mientras que la síntesis de haz espacial es incoherente.  

 

Figura 1: La inserción de un prisma en un haz láser espacialmente coherente produce un patrón de interferencia en la pantalla.  

catálogo
 

1. Comparación de coherencia espacial y coherencia temporal
2. Cuantificar la coherencia
3. La importancia de la coherencia en las aplicaciones
4. Coherencia en óptica cuántica

Comparación de coherencia espacial y coherencia temporal
Existen dos tipos diferentes de coherencia:

• La coherencia espacial representa la fuerte correlación (relación de fase fija) de campos eléctricos en diferentes posiciones.
• Por ejemplo, el campo eléctrico en diferentes posiciones dentro de la sección transversal del haz generado por láseres con diferentes cualidades de haz límite de difracción oscila completamente coherentemente, aunque su estructura temporal es compleja y está compuesta por componentes de diferentes frecuencias apilados juntos. La coherencia espacial es un requisito fundamental para la fuerte direccionalidad de los haces láser.  
• La coherencia temporal se refiere a la fuerte correlación entre campos eléctricos en la misma ubicación pero en tiempos diferentes. Por ejemplo, la luz de salida de un láser de una sola frecuencia tiene una alta coherencia temporal porque se determina la evolución temporal del campo eléctrico y oscila sinusoidalmente durante un largo período de tiempo.  

La Figura 2-4 muestra la diferencia en la coherencia espacial y temporal. La figura 2 muestra un haz gaussiano monocromático como referencia, que tiene una alta coherencia espacial y temporal.  

  

Figura 2: Distribución del campo eléctrico del haz gaussiano con alta coherencia espacial y temporal simultáneamente.  
El haz de la Figura 3 tiene una coherencia espacial elevada, pero una coherencia temporal pobre. El frente de onda se muestra en la figura, y la calidad del haz es todavía relativamente alta, pero la amplitud y la fase del haz cambian en la dirección de propagación. La amplitud local y el espaciamiento del frente de onda varían. Este haz puede ser generado por una fuente de luz supercontinua.  

  

Figura 3: Un haz láser con buena coherencia espacial pero mala coherencia temporal.  
La coherencia espacial del haz láser en la figura 4 es pobre, pero la coherencia temporal es alta. El frente de onda ha sufrido deformación, dando como resultado un gran ángulo de divergencia del haz y una mala calidad del haz.
Sin embargo, el haz es monocromático, por lo que la distancia entre los frentes de onda deformados es constante. Este haz puede ser generado por un láser de una sola frecuencia, y cuando la luz de salida se propaga en un medio no isotrópico, se obtendrá la situación mostrada en la figura.  

  

Figura 4: Un haz láser con poca coherencia espacial y buena coherencia temporal.  

Cuantificar la coherencia
Existen varios métodos diferentes para cuantificar la coherencia: - usando ecuaciones de coherencia para representar la coherencia como una función de la distancia espacial o temporal. Existen funciones de coherencia de diferentes órdenes. La coherencia de primer orden está relacionada con la espectroscopia. La ecuación de coherencia de segundo orden representa la coherencia de intensidad, que es el efecto de enfoque de fotones o antienfoque.
Las ecuaciones de orden superior describen más detalles. El tiempo coherente describe cuantitativamente la coherencia temporal de primer orden, que se refiere al tiempo necesario para que la coherencia desaparezca. La longitud de coherencia es el producto del tiempo de coherencia y la velocidad de la luz al vacío, y por lo tanto se utiliza para describir las características de coherencia temporal, es decir, la longitud de propagación antes de que la coherencia desaparezca.
El ancho de línea de un láser de una sola frecuencia también está relacionado con la coherencia temporal, con un ancho de línea estrecho (alta monocromaticidad) correspondiente a una alta coherencia temporal. La visibilidad de las rayas caracteriza principalmente la visibilidad de los patrones de interferencia formados por la superposición de campos eléctricos.
La relación entre el ancho de banda óptico y la coherencia temporal es bastante importante. Por ejemplo, el tren de pulsos generado por un láser bloqueado en modo tiene un ancho de banda amplio, y su espectro de Fourier contiene líneas discretas estrechas (ver peine de frecuencia).
Su coherencia temporal es alta porque todavía tiene una fuerte coherencia en el fondo para retrasos de tiempo que son múltiplos enteros de largos períodos de pulso. (Véase la coherencia de la luz supercontinua y la coherencia de los pulsos ultracortos.)

La importancia de la coherencia en las aplicaciones
Algunas aplicaciones requieren que la luz tenga una alta coherencia temporal y espacial simultáneamente. Por ejemplo, en varios interferómetros, holografía y algunos sensores ópticos (tales como sensores de fibra óptica). También es muy importante en la tecnología de síntesis de haz coherente.  
Algunas aplicaciones requieren la menor coherencia de luz posible. Por ejemplo, en la tomografía de coherencia, se requiere luz de coherencia temporal muy baja (mientras que de coherencia espacial alta), tal como generada por interferómetros, para lograr una alta resolución espacial, se necesita una coherencia temporal baja.
Algunos de estos tipos de fuentes de luz, tales como la emisión espontánea amplificada generada por amplificadores láser o el supercontinuo generado en medios no lineales. La luz de baja coherencia temporal también se requiere en aplicaciones tales como pantallas de proyección láser, imágenes y plumas láser, ya que reduce las manchas y otros efectos de interferencia similares.  

Coherencia en óptica cuántica
En la óptica cuántica, la coherencia se utiliza comúnmente para describir los estados atómicos o iónicos de la radiación de luz. En este punto, la coherencia representa la relación de fase de la amplitud compleja del estado electrónico. Esto es muy importante en láseres no invertidos. También existe el concepto de estados coherentes en el campo óptico, que tiene otros significados.