论述光的空间相干性和时间相干性（谷风课堂）

1、论述光的空间相干性和时间相干性论述光的空间相干性和时间相干性1青苗C学班 目录目录概述概述1空间相干性空间相干性2时间相干性时间相干性3总结总结42青苗C学班 光的干涉：干涉现象是波动独有的特征，光也是波，就必然会观察到光的干涉现象。两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 光的相干性：两束光在某一点相遇产生干涉的条件是：频率相同、振动方向相同、位相差恒定。简单地可以分为相干光和非相干光。 相干光源：能够观察到干涉条纹的理想光源，是从一无限小的点光源发出无限长光波列，用光学方法将其分为两束，再实现同一波列的相遇迭加，能得到稳定的

2、干涉条纹的光源。 概述概述3青苗C学班 实际的相干光源和理想的相干光源有两点重要的不同，一是理想相干光源所发出的是无限长光波列，而实际相干光源所发出的是有限长光波列；二是理想相干光源为一几何点，而实际相干光源总有一定的线度。因此，我们应注意以下两方面的问题： (1)由于实际相干光源所发出的光波列为有限长，若两束光到达观察点的光程差超过一个波列的长度，在该处就不能实现相干迭加。所以，波列长度和光程差的大小是影响干涉条纹清晰度的一个重要因素。概述概述4青苗C学班 (2)由于实际相干光源有一定的线度,即使光源上的每个点所发出的光都是无限长波列,能保持恒定的位相差而形成稳定的干涉条纹,但由于光源上不同

3、点发出的光所形成的干涉条纹分布不同,迭加的结果仍使条纹看不清楚.所以,光源的线度以及干涉装置的结构,是影响干涉条纹清晰度的另一个重要因素 以上两个方面分别是指光的空间相干性和光的时间相干性是对光的干涉效应的影响。 我们会从光的干涉效应角度出发分别讨论光的空间相干性和光的时间相干性，介绍与其相关的几个概念。 概述概述5青苗C学班 在杨氏双缝干涉装置中，保持其它不变，而仅仅使光源S移动，如果有两个点光源S，S1，其中S处在中心轴线上，而S1在中心轴线外，则每一个光源发出的光经过双缝后，各自形成一套干涉花样。这两套干涉条纹互相交替，如果一套的亮条纹正好处在另一套的暗条纹位置，干涉条纹的反衬度将会大大

4、降低，甚至无法观察到明显的明暗条纹分布。这种情况就是我们要讨论的光波长的空间相干性的问题。空间相干性空间相干性6青苗C学班空间相干性空间相干性杨氏双缝干涉实验装置杨氏双缝干涉实验装置xzy7青苗C学班 双缝间距为d，两个屏间距为r，光波的波长为，光源在x方向上的线度为x。有下式满足时，可以出现干涉现象：dr/ x。 如果光源在y方向上的线度为y，则光源的发光面积为A= xy。在光场中与光源相距r处的空间有一块垂直于光传播方向的面积 就称为光场的相干面积。空间相干性空间相干性ArAc228青苗C学班 它的物理意义是：面积为A的光源内各点所发出的波长为的光，通过与光源相距为r并与光传播方向垂直的平

5、面上的两点，如果这两点位于相干面积Ac内，则这两点的光场是相关的，因而它们能产生干涉效应。光的这种相干性称为光的空间相干性。所以说，光的空间相干性是指垂直于光传播方向的截面上的光场的空间相干性，这种相干性是由相干面积来描述的。空间相干性空间相干性9青苗C学班 为了对光的相干性以总的描述，在激光物理中引入了相干体积这一概念。所谓相干体积是指以光场的相干面积Ac为底，以相干长度Lc为高所限定的空域。其值为 利用 上式可写为： 上式的物理意义是：具有频率- +范围内的光波在空间体积Vc内是相干的。空间相干性空间相干性ArVc223C/CArVc4210青苗C学班 通过上述的讨论我们可以看到，光的相干

6、性与实验装置的缝间距，屏间距等空间量有着密切的关系，因此我们将光的相干性与实验装置诸空间量的这种、关系，或者将光的相干性受装置诸空间量的制约影响叫作“光的空间相干性”。空间相干性空间相干性11青苗C学班 时间相干性时间相干性杨氏双缝干涉实验装置杨氏双缝干涉实验装置12青苗C学班 时间相干性时间相干性设由分光源S，S所发出的单色相干光的平均持续时间为,则平均波列长度为Lc=c，c为光速。在不考虑光源线度对干涉条纹清晰度影响的情况下，若光源S发出的光传播到光屏EE上P点所用时间为t1，光源S发出的光传播到光屏EE上P点所用时间为t1 +t，则当t时，两列光波位相间无确定关系，不能产生干涉现象。13

7、青苗C学班 下面介绍光的相干时间的两个度量：相干长度和相干时间。 相干长度： 相干时间： 或 由以上两式可以得出相干性反比公式：时间相干性时间相干性2Lctcc1cccLccccc22114青苗C学班 时间相干性时间相干性 由时间相干性的反比公式可以得出：当越小（即光源单色性越好）时，则相干时间越大，继而相干长度越大。 综上可知，发光持续时间，可以作为能否产生干涉现象的一个界定量，称之为相干时间。 相应地，波列长度LC(即两列相干波到达观察点的最大光程差)，称为相干长度。 或LC越大，时间相干性越好，反之就越差。15青苗C学班结语结语 通过以上关于光的空间相干性和时间性的一些介绍，我们现在简单地进行一下归纳总结，分别从以下几个方面讨论一下光的空间相干性和时间相干性的区别。 本质：空间相干性源于扩展光源不同部分发光的独立性； 时间相干性源于发光过程在时间上的断续性。 效果：空间相干性表现在光波场的横向，并集中于分波前干涉； 时间相干性表现在光波场的纵向，并集中于分振幅干涉。 16青苗C学班结语结语 数学描述： 空间相干性：相干线度： 相干孔径角： 相干性反比公式： 时间相干性：相干长度： 相干时间： 相干性反比公式： bldc/b/b/L2cc/2117青苗C学班结语结语 说明：（1）要注意的是时间相干性和空间相干性