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22届理学类物理学光场的相干性

2021-07-19　

相干性是指空间任意两点光振动之间相互关联的程度。空间相干性（横向相干性）是来自光源不同点同一时刻发出的光波间的相干性。时间相干性（纵向相干性）是指光源同一点在不同时刻发出的光波间的相干性。    

一个光源的空间相干性和时间相干性的优劣，微观上是由其发光机制决定，宏观上则由其空间发光面积和单色性决定。发光面积越小，光源的空间相干性就越好；单色性越高，则光源的时间相干性越好。

光源的时间相干性，可用谱线宽度和最大光程差来表示，也可用相干长度和相干时间来表示（相干时间是指原子的平均发光时间间隔；相干长度是在相干时间内光走过的路程），它们是从不同的方面来描述光源的时间相干性，相互有一定的联系。

要谈相干性首先得明白什么是相干光。相干光其实就是两束光叠加形成的光，当然这么说有点太宽泛了，讨论相干时需要排除掉偏振问题（振动方向不同）以及光拍问题（频率不同）——也就是说要保证两束光的频率、振动方向都相同。对于干涉问题最重要的研究是两束光的相位差，因为对于两束正弦振动的光束来说，它的光强度满足：

1.png，

即相干光强分布完全由相位差δ决定。而相位差δ应当满足：

2.png，

即两束光真空下的波数k0和光程差 D 相乘。实际的相干光会考虑扩展光源和非单色光的问题，自然地，这里对比度K应该是描述这种误差的函数。在讨论具体的表达式之前，可以注意到，扩展光源的线度（即长度）或者面积/体积是“几何空间”上的影响因素，即“空间相干性”；非单色光可以考虑成频率上有一定宽度，即 Δν 。而频率量纲为1/s，是一个“与时间有关”的量纲，即“时间相干性”——当然这里是便于理解，从而人为地对概念上进行调整，事实上非单色光也可以利用波长描述Δλ甚至波数Δk描述，这种描述只是通过真空中光速c进行了一个量纲上的变换，无本质区别。


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