Оптика когерентного излучения является частью современной физической оптики. Ее предмет составляют физические процессы, связанные с формированием и распространением когерентного излучения в разнообразных оптических системах и передающих средах. Бурное развитие оптики когерентного излучения в последние десятилетия непосредственным образом обусловлено достижениями лазерной физики. Ведущиеся широким фронтом исследования уникальных характеристик лазерных пучков обогатили знания о свойствах когерентного cвета. При этом процесс изучения новых оптических явлений и закономерностей с использованием лазеров происходил так быстро, что стал наблюдаться определенный разрыв между вновь развиваемыми теоретическими представлениями и традиционными положениями классической оптики. Этому способствовал и тот факт, что в физике лазеров новые данные очень часто возникали на стыке различных научных направлений, и их интерпретацией занимались исследователи, представляющие разные школы и специальности. Следует учитывать также произошедшее в "лазерную эпоху" необычайно широкое внедрение оптических методов исследования в самые разные научные области, часто значительно отличающиеся как природой изучаемых объектов, так и используемым теоретическим аппаратом. Такое экстенсивное расширение оптических понятий и представлений, все возрастающая неопределенность в характеристике предмета современной когерентной оптики, отсутствие единой теоретической основы стали негативно сказываться на процессе сопоставления и обобщения данных, полученных различными авторами, и определили, в конечном счете, устойчивую тенденцию к объединению различных частных теорий на основе известных положений классической оптики. Естественно, такое объединение с самого начала предполагало и определенную модернизацию этих положений, и расширение понятийного и математического аппаратов. Материал данного учебного пособия по замыслу автора должен отражать указанную тенденцию.

Все наиболее важные оптические явления, происходящие в когерентном свете, рассмотрены в учебном пособии с единых позиций: как правило, на основе анализа различных форм решения приведенного волнового уравнения. При этом во всех случаях, оправданных с точки зрения более полного и точного описания физической сути рассматриваемых процессов, делается попытка связать новые сведения с ранее известными классическими представлениями, как с точки зрения терминологии, так и методов описания. Даже при изложении новых, во многом находящихся в стадии становления разделов когерентной оптики, к которым может быть отнесена, в частности, значительная часть компьютерной оптики, освещение соответствующего теоретического и математического аппаратов производится с позиции дальнейшей эволюции ранее известных подходов и методов, в том числе и методов фурье-оптики.

Если попытаться сформулировать наиболее общую задачу, решаемую в рамках когерентной оптики, то это можно сделать следующим образом. Пусть в плоскости П₁ (рис. В1) задано амплитудно-фазовое распределение когерентного поля световой волны, движущейся в направлении, показанном стрелкой. Требуется найти распределение амплитуды и фазы в плоскости П₂ в предположении, что между плоскостями П₁ и П₂ располагается какая-либо оптическая система или передающая среда. Сформулированная задача является основной прямой задачей оптики когерентного излучения. Несмотря на простоту ее формулировки, ее решение в общем случае является нетривиальным. В отдельных случаях решение этой задачи требует использования весьма сложных методов и подходов. Исходя из приведенной схемы, можно сформулировать два варианта обратных задач. Согласно первому варианту по известному распределению поля в плоскости П₂ и известным параметрам системы, располагающейся между плоскостями П₁ и П₂, следует определить распределение поля в плоскости П₁. Второй вариант сводится к определению характеристик системы между заданными плоскостями П₁ и П₂ по известным на них распределениям поля. С указанными основными физическими задачами когерентной оптики граничит широкий круг задач, связанных с разнообразными прикладными вопросами. Он включает проблему управления параметрами излучения, разработку методов обработки световых структур и реконструкции оптических изображений, а также записи и обработки оптической формации. Приведенная схема и классификация решаемых задач составляет методическую основу анализа рассматриваемых явлений.

Рис. В1.

В материале учебного пособия естественным образом нашли свое отражение научные интересы автора, а также его коллег, работающих в области когерентной оптики в ряде ведущих российских вузов и институтов РАН. В нем учтены многолетние традиции преподавания курса оптики когерентного излучения на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ, а также опыт использования приобретенных знаний выпускниками кафедры на практике, в ходе научно-исследовательских работ в различных НИИ и ОКБ. Именно исходя из запросов практики, в пособие включены некоторые разделы, которые обычно включаются в руководства по статистической оптике. К ним, в частности, относятся элементы теории когерентности и оптики случайно-неоднородных сред. Это связано с тем, что при распространении излучения через некоторые оптические системы и передающие среды происходит заметное изменение степени его когерентности. Благодаря влиянию ответственных за это физических факторов в когерентных световых колебаниях появляется случайная составляющая, без учета которой невозможно корректное описание изучаемых оптических явлений. Однако, несмотря на стремление автора максимально обобщить современное понимание предмета когерентной оптики и ее содержательной части, круг вопросов, включенных в пособие, и характер их освещения не может претендовать на исчерпывающую полноту, хотя бы из естественных ограничений объема пособия. В частности, по последней причине, исключены из рассмотрения разнообразные нелинейные эффекты, происходящие в поле когерентного излучения. Предполагается, что читатель сможет самостоятельно удовлетворить свой интерес к слабо освещенным вопросам, используя приводимые в пособии развернутые библиографические сведения. Для удобства обращения к используемым источникам информации заголовок каждого параграфа содержит соответствующие литературные ссылки.

Автор полагает, что данное учебное пособие помимо использования непосредственно в учебном процессе при подготовке специалистов-оптиков может оказаться полезным справочным руководством в области физической оптики для широкого круга исследователей и инженеров-практиков.