22届理学类物理学光场的相干性

2021-07-19 10:26:16

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。