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22屆理學類物理學光場的相干性

2021-07-19 10:26:16

相干性是指空間任意兩點光振動之間相互關聯的程度。空間相干性（橫向相干性）是來自光源不同點同一時刻發出的光波間的相干性。時間相干性（縱向相干性）是指光源同一點在不同時刻發出的光波間的相干性。    

一個光源的空間相干性和時間相干性的優劣，微觀上是由其發光機制決定，宏觀上則由其空間發光面積和單色性決定。發光面積越小，光源的空間相干性就越好；單色性越高，則光源的時間相干性越好。

光源的時間相干性，可用譜線寬度和最大光程差來表示，也可用相干長度和相干時間來表示（相干時間是指原子的平均發光時間間隔；相干長度是在相干時間內光走過的路程），它們是從不同的方面來描述光源的時間相干性，相互有一定的聯系。

要談相干性首先得明白什么是相干光。相干光其實就是兩束光疊加形成的光，當然這么說有點太寬泛了，討論相干時需要排除掉偏振問題（振動方向不同）以及光拍問題（頻率不同）——也就是說要保證兩束光的頻率、振動方向都相同。對于干涉問題最重要的研究是兩束光的相位差，因為對于兩束正弦振動的光束來說，它的光強度滿足：

1.png，

即相干光強分布完全由相位差δ決定。而相位差δ應當滿足：

2.png，

即兩束光真空下的波數k0和光程差 D 相乘。實際的相干光會考慮擴展光源和非單色光的問題，自然地，這里對比度K應該是描述這種誤差的函數。在討論具體的表達式之前，可以注意到，擴展光源的線度（即長度）或者面積/體積是“幾何空間”上的影響因素，即“空間相干性”；非單色光可以考慮成頻率上有一定寬度，即 Δν 。而頻率量綱為1/s，是一個“與時間有關”的量綱，即“時間相干性”——當然這里是便于理解，從而人為地對概念上進行調整，事實上非單色光也可以利用波長描述Δλ甚至波數Δk描述，這種描述只是通過真空中光速c進行了一個量綱上的變換，無本質區別。


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