浅析相干光及光的相干性
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摘 要：在激光物理中，光的相干性与光束传输特性一直是人们研究的热点之一。由于自发辐射等因素的存在，实际中我们遇到的光源和场从严格意义上来讲都不是完全相干的，总是部分相干的, 因此研究相干性对光束传输性质的影响有重要意义。
关键词：物理；光的相干性；光束传输；相干
一、相干光的定义及条件
只要是频率相同,且振动方向相同（即相干光必是线偏振光）的光可称为相干光,其他皆是非相干光。对于光波来说，振动的是电场强度E和磁场强度H，其中能引起人眼视觉和底片感光的是E~,故通常把E矢量叫做光矢量，若两束光的光矢量满足想干条件则它们是相干光，相应的光源就是相干光源。而激光是单色的，单色的那就是单频的，即频率都是一定的，同一光源出来的，光波都是同步的，所以激光是相干光。相干光的条件是频率相同；振动方向相同；相位差恒定。
二、产生相干光的方法
（一）波阵面分割法
将同一光源上同一点或极小区域发出的一束光分成两束，让它们经过不同的传播路径后，再使它们相遇，这时，这一对由同一光束分出来的光的频率和振动方向相同，在相遇点的相位差也是恒定的，因而是相干光。如，杨氏双缝干涉实验。
（二）振幅分割法
一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法。如，薄膜干涉、等厚干涉等。
（三）采用激光光源
激光光源的频率,位相,振动方向,传播方向都相同。
三、普通光源及其发光原理
光是由光源中的原子或分子的运动状态发生变化时辐射出来的。当原子中大量的原子或分子受外来激励而处于激发状态，处于激发状态的原子是不稳定的，它要自发地向低能级状态跃迁，并同时向外辐射电磁波。当这种电磁波的波长在可见光范围内时，即为可见光。由于一次发光的持续时间极短，所以每个原子每一次发光只能发出频率一定、振动方向一定而长度有限的一个波列。由于原子发光的无规则性，同一个原子先后发出的波列之间，以及不同原子发出的波列之间都没有固定的相位关系，且振动方向与频率也不尽相同，着就决定了两个独立的普通光源发出的光不是相干光，因而不能产生干涉现象。原子发光的时间很短，只有10-8秒。一般情况下各原子发光是随机的，无固定相位差。因为普通光源是大量不同原子在不同时刻先后独立发的光，因此不满足干涉条件，所以一般普通光源观察不到干涉现象。两个频率相同的钠光灯不能构成相干光源；即使是同一个单色光源的两部分发出的光，也不能产生干涉现象。因为不能保证有恒定的相位差。
从普通光源的发光机制可知，来自两个独立光源的光是非相干光，而来自同一光源的两个不同部分的光也不是相干光。利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠加起来。由于这两部分光实际上来自同一点光源，所以它们满足相干条件，因而是相干光。
四、光程与光程差
（一）相位差
相位差是考虑一个周期内两束光的差，也叫相位差、相角差。
（二）光程差
光程是光在介质中传的路r与介质折射率的乘积nr。它实际是把光在介质中通过的路程按相位变化相同折合到真空的路程，可以统一地用光在真空中的波长来计算光的相位变化。定义为两束光到达某点的光程之差值。表明干涉条纹性质的量。指由不同点发出的相干光在到达叠合点(承光板)时,两光线行程距离的差数(同一种介质中，对不同的介质还要考虑折射率的影响）。对于两同相的相干光源发出的两相干光，其干涉条纹的明暗条件便可由两光的光程差Δ决定。光程差的计算有两项，一项是几何路程差引起的；另一项要考虑反射面情况，当光线从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失，其他情况都没有。相差=2π/λ×光程差（λ为真空中的波长）
五、研究光的相干性的意义
（一）由光场的经典干涉效应度量的相干性
在经典光学中,光的相干性是通过两列光波,根据波的叠加原理,让光波满足一定的条件而出现的干涉现象来说明的。这里的相干条件是,两列波频率相同,振动方向相同,相位相同或相差恒定。为了满足相干波的条件,可以使用滤色片,让来自不同频率的光频率相同,使用偏振片,让振动方向相同,但相位差恒定这一条件能否满足呢?我们知道,在平面单色波传播的波场中,任意两个不同的时空点的光场之间存在着确定的相位关系,这种相位关系原则上可以取场的不同部分进行叠加,通过观察到的干涉效应而获得证实。当然,这里的平面单色波只是一种理想的假设。实际中的光源,是由大量原子构成的,当处于激发态的原子跃迁到低能级的过程中就会辐射出光波。来自不同原子的辐射是断续的、无规则的,而且原子的发光彼此独立,互不相关,换言之,任何两个原子发光时,彼此并无"约定",即使由同一原子在不同时刻所产生的辐射场,其相位关系也可以是完全随机的。由此看出,相位差恒定的条件很难满足。因此,实际光源产生的光场并不是理想的平面单色波。在传统的光学中,所谓光场的相干性指的就是场的相位关联的程度。这种关联由干涉条纹的可见度V[2]来测量。
V=Imax-IminImax+Imin(1)
式中Imax与Imin分别为最大光强和最小光强,当两个不同时空点的光场产生干涉图样,其Imin=0(暗条纹全黑)时,V=1,条纹的反差最大,清晰可见,这两时空点的场被认为是相干的。当Imax=Imin时,V≈0,条纹模糊不清,甚至不可辨认,此情形时,则认为两光场完全不相干。若0
（二）光场的时间相干性
真实光场中任两个时空点并不一定具有相干性。当时间满足一定条件时,我们可认为光场具有时间相干性。它表征在同一空间点不同时刻光场的相干程度。经典光学中引进相干时间Δτ0来描述光场的时间相干性,迈克尔逊干涉仪是比较不同时刻光场的相位关系的典型装置。当两臂光路的时间延迟Δτ远大于Δτ0时,干涉条纹完全消失,光场的相干时间
取决于其频谱的宽度Δυ,Δτ0∝1Δυ(2)
而长度Lc=Δτ0C=λ2Δλ称为相干长度。对于光场中两个确定的点,若前后两个时刻传来的光波隶属于同一波列,则它们是相干光波,称该光波场具有时间相干性,否则为非相干光波,称该光场无时间相干性。显然,衡量光波场时间相干性的好坏是Δτ0的长短。Δτ0是光通过相干长度所需的时间。上述讨论表明,光波场的时间相干性是和光源的单色性紧密相关的。而光的单色性又和波列的长度有一定的关系。
（三）光场的空间相干性
对于真实光场中任两个时空点来说,当空间点满足一定条件时,我们可认为光场具有空间相干性。它表征在同一时刻不同空间点光场的相干程度。经典光学所用相干面积来描述光场的空间相干性。测量光场空间相干性的典型装置是杨氏双缝,它可用来比较两个狭缝处光场的相位关系。设两缝中心为P点，随着两缝间距的增大,在屏上观察到干涉条纹的可见度将减少。设干涉条纹第一次消失所对应的两缝间距为2d,那么,相应的面积ΔΑ∝d2就定义为场在P点的相干面积。相干面积和相干长度可以统一表示成相干体积ΔV=ΔΑ・Lc(3)围绕着P点的相干体积大致对应于这样的体积,在这个体积内的任一点光场都与P点的光场产生涉。在杨氏双缝实验中,若用的是扩展光源,设它的临界宽度为a0,则双缝之间的最大距离2d∝λα0(4)。
若双缝之间的距离等于或大于2d时,则观察不到干涉条纹,即光场中狭缝S1和S2处的光矢量在同一时刻无确定的位相关系。由于S1、S2发出的光波来自同一光源,故与宽度为a0的光源对应的光场空间相干性较差。若使双缝S1与S2之间的距离小于2d,则屏幕上能观察到干涉条纹,说明S1和S2的光场这时是相干的,或者说这时光场具有空间相干性。显然,光场的空间相干性与光源的线度有关。
在我们的生活中，在普通光源中，原子发光过程都是自发辐射过程，各个原子的辐射都是自发地、独立进行的，因而各个原子发出的光子在频率、发射方向和初位相上都是不相同的，所以，在光源的不同位置发出来的光各不相同，不具备空间相干性；而它的Δυ很大，所以Δt就很短，因而也不具备时间相干性。所以普通光源发出的光不是干涉光。而对激光器来说，它所发射的激光单色性很好的，即激光的Δυ非常小，比普通光的Δυ要小得多。因而激光的相干时间Δt很大，即激光的时间相干性是很好的。因此，我们要好好加以利用，争取最大限度为人类造福。
参考文献：
［1］王丽琴.相干光及相干性对光束传输性质的影响[Z].2008.