Akademik

- раздел оптики, изучающий оптич. явленияи процессы, для описания к-рых используются статистич. понятия и стохастич. методы анализа. С. о. включает большой круг проблем: изучение шумов и флуктуациив источниках оптич. излучения, статистич. проблемы взаимодействия световыхполей с веществом, исследование распространения оптич. волн в случайнонеоднородных и турбулентных средах, статистич. проблемы приёма и обработкиинформации в оптич. диапазоне длин волн и т. п.

Историю развития С. о. можно условно разделить на три периода: долазерный, лазерный и постлазерный, или новейший. До создания лазеров источники светабыли по существу шумовыми, к-рые адекватно описываются гауссовой статистикой(см. Белый сеет). Лазеры излучают свет, как правило, с значительноподавленными флуктуациями и во мн. случаях хорошо описываются моделью излученияс практически пост. амплитудой, но случайной фазой. Лазерные поля имеютсущественно негауссовую статистику и могут быть описаны как квантовомеханически, так и полуклассически. В постлазерный период были созданы источники неклассич. световых полей; в 1977 - поля с антигруппировкой фотонов (см. Квантоваяоптика), в 1985 - поля в квантовом сжатом состоянии (см. Сжатоесостояние света). В зависимости от методов, применяемых для описанияслучайных оптич. процессов и явлений, различают волновую С. о. и квантовуюС. о. Статистич. явления, связанные с регистрацией светового поля методомсчёта отд. фотонов, относят к статистике фотоотсчётов.

Ниже рассмотрены осн. вопросы волновой С. о.; проблемы квантовой С. о. обсуждаются в ст. Квантовая оптика, Квантовая когерентность.

Теория когерентности. В теории когерентности статистич. свойства световыхполей описываются пространственно-временными корреляц. ф-циями (ф-циямикогерентности) разл. порядка (см. Когерентность света). наиб. практич. интерес представляют корреляц. ф-ции 2-го порядка, к-рые непосредственносвязаны с интерференционными схемами Юнга и Майкельсона, используемымидля получения информации о пространственной и временной когерентности. Корреляц. ф-ции поля 2-го порядка исследуются амплитудной интерферометрией. Поляризац. свойства света описывают с помощью поляризац. матрицы, составленнойиз корреляц. ф-ций 2-го порядка между ортогональными компонентами поля. Вид корреляц. ф-ций 2-го порядка не зависит от статистики поля и определяетсялишь угловым и частотным спектром излучения.

Корреляц. ф-ции поля 4-го и более высокого порядка, описывающие интерферометриюинтенсивности (см. Интерферометр интенсивности), уже содержат информациюи о статистич. свойствах поля. Так, для полей с группировкой фотонов корреляц. ф-ция интенсивности 4-го порядка монотонно спадает, а для полей с антигруппировкойфотонов эта ф-ция сначала нарастает, а затем спадает. Амплитудная интерферометрияи интерферометрия интенсивности используются для спектроскопич. целей иполучения информации об изображении.

Флуктуации и шумы в лазерах. Тепловые шумы оптич. резонатора и спонтанноеизлучение атомов (молекул) активной среды являются принципиально неустранимымиисточниками шума в лазерах. Шумы приводят к естеств. флуктуациям амплитудыи фазы одночастотного и одномодового лазера, вследствие к-рых существуютпредельные значения временных и пространственных статистич. характеристиклазерного излучения: естеств. ширина частотного спектра, определяемая ф-лойШавлова - Таунса [ф-ла (8) в ст. Лазер]; естеств. угл. расходимость, предельная пространственная когерентность. В режиме генерации несколькихнесинхронизованных (несвязанных) продольных и (или) поперечных мод статистикаизлучения существенно меняется: она становится практически гауссовой. Исследованиефлуктуации в лазерах представляет интерес для анализа динамики его излучения;знание статистич. свойств лазерного излучения определяет возможности использованиялазеров в разл. приложениях.

Нелинейная статистическая оптика. Статистич. задачи в нелинейной оптикемогут быть связаны как со статистикой излучения (нелазерные источники, лазерное излучение с несинхронизов. модами и т. п.), так и со статистикойсреды (собств. эл.-магн. флуктуации в среде, статистически неоднородныесреды, кристаллич. порошки и т. п.). Случайная модуляция волн может существенновлиять на протекание нелинейных оптич. процессов, изменяя характер и эффективностьвзаимодействия. При наличии случайной временной модуляции существует т. н. когерентная длина, определяемая расстройкой групповых скоростей (см. Групповойсинхронизм )и шириной спектра или временем корреляции шумовой волны, при превышении к-рого нелинейные когерентные взаимодействия становятсянекогерентными. Это проявляется, напр., в темпе накопления нелинейногоэффекта. В пространственных задачах когерентная длина определяется двулучепреломлениеманизотропного нелинейного кристалла и радиусом корреляции случайной волны. При нелинейном взаимодействии случайных и шумовых волн интерес представляетреализация условий, при к-рых эффективность шумовой накачки может приближатьсяк эффективности монохроматич. накачки такой же ср. интенсивности или дажепревышать её. Методами нелинейной оптики можно получить случайные пучкис фазой, комплексно сопряжённой с исходной (см. Обращение волновогофронта).

Изучение нелинейных оптич. процессов в статистически неоднородных средахпозволяет определить влияние неоднородностей на эффективность процессов(генерация гармоник, параметрич. взаимодействия и т. д.) и оценить возможностьподавления разл. вредных неустойчивостей (линейных и нелинейных). Последниеприводят к флуктуациям коэф. нелинейной связи волн. Флуктуации показателяпреломления среды вызывают случайный сбой фазового соотношения (см. Фазовыйсинхронизм )между взаимодействующими волнами и, следовательно, уменьшаютэффективность нелинейного взаимодействия.

Распространение световых волн в случайно неоднородных средах. Это направлениеС. о. обычно выделяют в самостоят. раздел. Пространственная и временнаякогерентность лазерных пучков при распространении в случайно неоднородныхи турбулентных средах ухудшается. Прошедшие через такие среды лазерныепучки содержат информацию о свойствах самой неоднородной среды. В связис этим лазерное излучение широко применяется для зондирования турбулентныхи рассеивающих сред. Разработаны спец. методы описания распространениялазерных пучков в таких средах. Изучение влияния турбулентной атмосферына распространение световых пучков весьма важно также для оптическойсвязи и оптической локации.

Статистика фотоотсчётов. Для регистрации слабых световых потоков применяетсястатистич. метод счёта фотонов. В этом методе, как и любом другом, неизбежнопоявление флуктуации, обусловленных квантовой природой света. Процессыпоглощения фотона атомом фоточувствит. поверхности детектора и последующееиспускание электрона, регистрируемого детектором, носят принципиально статистич. характер. При пост. интенсивности регистрируемого излучения статистикафотоотсчётов - пуассоновская; в случае флуктуирующей интенсивности распределениефотоотсчётов отличается от пуассоновского и зависит от статистики интенсивностисвета. Зная распределение фотоотсчётов, можно решить обратную задачу инайти статистику регистрируемого поля (подробнее см. Статистика фотоотсчётов).

Лит.: Ахманов С. А., Ч и р к и н А. С., Статистические явленияв нелинейной оптике, М., 1971; Спектроскопия оптического смешения и корреляцияфотонов, под ред. Г. Камминса, Э. Пайка, пер. с англ., М., 1978; Р ы то в С. М., Кравцов Ю. А., Татарский В. И., Введение в статистическую радиофизику, ч. 2 - Случайные поля, М., 1978; Кросиньяни Б., Ди Порто П., БертолоттиМ., Статистические свойства рассеянного света, пер. с англ., М., 1980;Ахманов С. А., Д ь я к о в Ю. Е., Чиркин А. С., Введение в статистическуюрадиофизику и оптику, М., 1981; Г у Д м е н Д., Статистическая оптика, пер. с англ., М., 1988. А. С. Чиркин.