1-5 光波的时间相干性与空间相干性(1)
光的相干原理
光的相干原理介绍光的相干性是光学中的基本概念，是指两个或多个光波之间存在一定的相干关系。
光的相干性与波的性质密切相关，相干光可以产生干涉和衍射现象，也可应用于干涉测量、光学显微镜、激光技术等领域。
光的相干原理是研究相干性质的理论基础，它描述了光的相干性形成的原因和相干性的特征。
一、相干性的概念•相干性是指两个或多个波在时间和空间上保持一定的相位关系，并以某种规律变化的一种特性。
•相干现象表现为干涉和衍射，干涉是指两个波叠加形成明暗条纹的现象，衍射是指波通过障碍物后产生的弯曲和展宽的现象。
二、相干性的表征1. 相长和相消相干性可分为相长和相消两种情况： - 相长：两个波的相位差固定，波峰和波谷始终在同一位置，形成干涉现象。
- 相消：两个波的相位差发生变化，出现干涉条纹的消失。
2. 光程差光程差是指两个或多个波的传播路径差，光程差的大小会影响波的相干性。
当光程差小于波长的一半时，波的相位差会发生变化，波的相干性会减弱或消失。
3. 相干时间和相干长度相干时间是指波的相干性在时间上保持的长度，相干长度是指波的相干性在空间上保持的长度。
相干时间和相干长度决定了相干现象的大小和范围。
三、相干性的形成原因1. 波的干涉当两个或多个波在空间和时间上保持一定的相位差时，它们会产生干涉现象。
干涉是相干性的一种表现形式，是由波的叠加所引起的。
2. 相干光源相干光源是指同时发出的多个波在时间和空间上保持一定相位关系的光源。
激光就是一种相干光源，由于激光的高相干性，它可以产生强烈而稳定的干涉和衍射现象。
3. 相干性保持机制相干性的保持机制包括相位保持和振幅保持两个方面： - 相位保持：光的相位可以受到外界的干扰而改变，但在相干光源的作用下，相位会以一定的规律进行修正，保持一定的相位关系。
- 振幅保持：相干光源在传播过程中，波的振幅会遭受衰减，但在相干光源的作用下，振幅会以一定的规律进行补偿，保持一定的振幅关系。
四、相干性的应用1. 光学干涉仪器光的相干性可以实现干涉仪器的设计和制造，如干涉测量技术、光学显微镜、干涉过滤器等。
波动的相干性和光的相干性
波动的相干性和光的相干性在物理学中，相干性（coherence）是指两个或多个波之间存在稳定的关系，特别是在时间和空间上存在稳定的相位关系。
这种相位关系可以描述波动的相干性，也可以用来研究光的相干性。
一、波动的相干性1. 相干的定义相干是指两个或多个波在空间或时间上存在稳定的相位关系，这种相位关系保持稳定性，使得波的幅度可以增强或减弱，而不是简单地叠加。
相干性是波动现象中重要的特性之一。
2. 相干性的条件相干性的存在需要满足以下两个条件：- 波源的稳定性：波源的频率、振幅和相位保持稳定，没有明显的涨落。
- 波源的相位关系：相干波源之间的相位关系要满足一定的条件，比如稳定相位差或相同的相位。
3. 相干性的影响相干性的存在对波动现象具有显著的影响：- 干涉现象：两个相干波叠加，会产生明显的干涉现象，如干涉条纹。
- 衍射现象：相干波通过狭缝或物体时，会产生衍射现象，如衍射条纹。
- 波纹消亡：相干波叠加可以相互干涉，导致某些区域波纹增强或消亡。
二、光的相干性1. 光的相干性概述光是一种电磁波，因此也具有相干性。
光的相干性是指在时间和空间上存在稳定的相位关系，使得光的干涉和衍射现象可以观察到。
2. 单色光的相干性单色光是频率稳定的光，它具有很强的相干性。
单色光的相干性可以通过狄拉克(Dirac)符号来描述。
3. 白光的相干性白光是由多种不同频率的光组成的复合光，它的相干性相对较弱。
白光的相干性可以通过多普勒效应来解释。
4. 干涉仪和干涉条纹干涉仪是用来观察光的干涉现象的仪器。
利用干涉仪可以观察到干涉条纹，这些条纹是由相干光叠加造成的。
5. 光的相干时间和相干长度光的相干时间和相干长度是描述光的相干性的重要参数。
相干时间是指光波在时间上保持相位关系的时间，相干长度是指光波在空间上保持相位关系的距离。
结论：波动的相干性和光的相干性是波动现象中的重要特性。
相干性的存在使得波能够产生干涉和衍射现象，这对于我们深入理解光和其他波的行为有着重要的意义。
论述光的空间相干性和时间相干性
1 概述 2 空间相干性 3 时间相干性 4 总结
概述
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。
时间相干性
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：
Lc
ct
c
2
相干时间： c
Lc c
c
c
1
或
c
2 c
2 c
由以上两式可以得出相干性反比公式： 1
时间相干性
由时间相干性的反比公式可以得出：当Δν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。
空间相干性
杨氏双缝干涉实验装置
x
z y
空间相干性
双缝间距为d，两个屏间距为r，光波的波长为 λ，光源在x方向上的线度为Δx。有下式满足时， 可以出现干涉现象：d<rλ/ Δx。
如果光源在y方向上的线度为Δy，则光源的发 光面积为ΔA= Δx×Δy。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
综上可知，发光持续时间τ，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。
τ或LC越大，时间相干性越好，反之就越差。
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。
光源的时间相干性和空间相干性对干涉、衍射的影响
109-光源的时间相干性和空间相干性对干涉、衍射现象的影响 摘要：光波作为一种概率波，其波动性已早已为我们所熟知，并且基于其波动特性的干涉和衍射现象已用于科学研究和生产实践的各个领域。
因此，提高光波的相干性对充分利用干涉和衍射现象具有重要意义。
光波的相干性与光源的性质有着密切的联系，因此搞清楚光源的时间相干性和空间相干性具有重要意义。
关键词：时间相干性；谱线宽度；空间相干性正文：光源的时间相干性体现为其单色性，即所发射光子频率的离散程度。
其具体数值指标为谱线宽度，其值越小说明发射光子频率的离散程度越小，光源的单色性越好，其时间相干性越好。
普通单色光源的谱线宽度的数量级为千分之几纳米到几纳米，而激光的谱线宽度只有nm,甚至更小，因此，激光的相干性要远远优于普通单色光源。
也正是基于激光的强相干性，光学全息技术、非线性光学、激光制冷技术、原子捕陷等近代物理技术才获得了快速的发展。
并且，多光子吸收等在普通单色光源下不可能发现的现象也在激光出现后被发现，极大地促进了人们对原子更为精系结构及能级跃迁机理的认识。
光源的空间相干性体现为光源的大小对相干性的影响。
由于从普通光源的不同部位发出的光是不相干，因此光源的大小必然影响到其相干性。
其具体临界数量关系式为：bd=R λ,其中λ为单色光的波长，R 为光源与衍射孔的距离，b 为光源的宽度，d 为衍射孔的距离。
当d,R, λ固定时，光源的宽度b 必须小于R λ/d,才可以在衍射屏上观察到干涉条纹。
同样，当b,R,λ固定时，d 必须小于R λ/b,称该值为相干间隔，以此来衡量光源的空间相干性。
由于激光光源各处发出的光都是想干的，所以激光光源的光场相干间隔的限制，这也是激光具有强相干性的原因之一。
迈克尔逊侧性干涉仪巧妙地利用了空间相干性原理来测得恒星的角直径，便是利用空间相干性的典型例子。
在光栅光谱仪的实验中，减小光入射缝的宽度实际上是相当于减小了b ，从而提高了光源的空间相干性，故得到原子光谱的谱线更加精细，体现在电脑图谱上就是突起变得更加尖锐。
时空相干性
可见度与相干光波的相对强度、光源的大小和单色性有关。 1、两相干光的强度对干涉条纹可见度的影响 I I1 I 2 2 I1I 2 cos 对理想的单色点光源 I I1 I 2 ① I1 I 2 4I1
A1 2 A ( A1 A2 ) 2 ( A1 A2 ) 2 2 A1 A2 2 2 2 2 2 2 ( A1 A2 ) ( A1 A2 ) ( A1 A2 ) A1 1 A 2
相干长度coherentlength由光源的单色性决定的产生可见度不为零的干涉条纹的最大光程差是光源单色性的量度决定了产生干涉现象的最大光程差
§3—5 干涉条纹的可见度 时间相干性和空间相干性 一、干涉条纹的可见度 2 I ( A A ) I I max 1 2 max min 定义： V 2 I ( A A ) I max I min min 1 2
y
y
d
-1N 0M 0N 0L +1L
y
y
单色光相邻 两条纹间距
单色光源 r1 L b0 / 2 M r
2
b0 计算如下：
d
x r1
r
·
r2
0
+1L △y / 2
此时L点的一 级明纹的极大 在 M 点的一级 极小 y
y 处 2
r
L点一级明纹：(r2 r2 ) (r1 r1) r r
2 I1I 2 I I 0 2 I1I 2 cos I 0 (1 cos ) I 0 (1 V cos ) I0
可见度差 Imin (V < 1) -4 -2 0 2 4
Imax
2
光源的相干性一
二、空间相干性
3 综合空间相干性 为了综合描述纵向空间相干性和横向空间相干性，将相
干长度和相干面积的乘积定义为一个新的物理量—相干
体积。
V =LA
c c
c
3 c c 2 c ( ) ( )2 2 ( ) 2
c
物理意义：如果要求传播方向上 角之内并具有频带宽
Δθ
二、空间相干性
2 横向空间相干性 在杨氏双缝干涉实验中，宽度为Δx 的光源（A）照 射两对称小孔 S1 、 S2 后，光波场具有明显相干
性的条件为：
x
该式称为空间相干性反比公式，即光源的线度与相
干孔径角的乘积为常数。
二、空间相干性
2 横向空间相干性 得出
2 Ac (x) ( )
根据相干时间tc的定义：在光传播方向上，两个光 波场之间能够相遇的最大时间间隔也就是每列光波 经过P点的持续时间。
P t
一、时间相干性
P ∆t t
P
t ∆t
P
t
∆t
∆t>t，两列光波在传播方向上没有交叠区域； ∆t=t，两列光波在传播方向上首尾相连；
∆t<t，两列光波在传播方向上有交叠区域；
相干时间tc=每列光波经过P点的持续时间
1 纵向空间相干性 根据光谱学中光源单色性参数R的定义：
R
0
1 tc 0
0
得到
R
0
Lc
该式进一步说明了相干时间 t c 和相干长度 Lc 是反映光源单色性物理量。
二、空间相干性
2 横向空间相干性 定义：在与光传播方向垂直的平面上，任意两个 不同点 S1 、 S2 处光波可具有相干性的最大面积， 常用相干面积Ac来进行描述。
介绍光的极化和相干性现象
介绍光的极化和相干性现象光是一种波动现象，它在传播过程中常常会发生极化和相干性现象。
在这篇文章里，我将会向大家介绍一下关于光的极化和相干性的相关概念以及它们在实际应用中的作用。
一. 光的极化现象极化是指光波中的电磁波在某一特定方向上产生振动的现象。
当光在通过某些介质时，会发生极化现象。
这种现象可根据电磁波振动的方向进行分类。
一般来说，有两种主要的极化方式：线性极化和圆极化。
1. 线性极化线性极化是指电磁波振动沿着一个特定方向上的极化。
这个方向可以是任何方向。
当光通过一个线性极化器时，只有与它的方向成90度角的方向才能够透过去。
这种现象在太阳眼镜和3D电影中经常表现出来。
2. 圆极化圆极化是一种较为有趣的现象，它指的是电磁波沿着一个特定方向振动，成像一个螺旋状。
这种现象可以分为左旋和右旋。
这种现象在医学成像和光学工业中都有广泛的应用。
二. 光的相干性现象相干性是一种关于光波的强度和频率的概念。
当两个光波是相干的时，它们的波峰和波谷会以完美的对齐方式出现，形成一个稳定的波形。
这种现象在光学测量中常常被用来精确测量长度和重量。
1. 空间相干性空间相干性是指两个垂直放置的光源所产生的光波之间的相干性。
当这些光波相遇时，它们相互干涉，形成新的光相干波。
这种现象经常用于干涉测量和激光器的制造工业。
2. 时间相干性时间相干性是指同一个光源发射出的两个光波之间的相干性。
当这些光波相遇时，它们也会相互干涉，形成新的光相干波。
这种现象在数字通信和激光干涉仪等领域有着很广泛的应用。
总之，光的极化和相干性现象对于现代科技的发展和应用有着重要的作用。
通过深入了解其中的原理和特点，在实际工作中才能更好地应用这些现象，创造更多的新技术和新应用。
光波的相干条件
光波的相干条件光波的相干条件光学是一门探究光的性质和行为的科学，其中一个重要的概念就是光波的相干性。
光波的相干性是衡量光波的稳定度和强度的因素之一。
因此，深入了解光波的相干条件对于光学领域的学习和研究至关重要。
1.相干性的定义相干性是指两个或更多的光波在时间和空间上保持稳定和有序的现象。
具体来说，光波的相位相对稳定且相互关联，导致它们能够产生干涉现象。
光波的相干性对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。
2.相干的种类相干性可以分为两种类型，即时域相干和频域相干。
时域相干是指光波的相位关系在时间上保持稳定。
频域相干是指光波的相位关系在频率或波长上保持稳定。
3.相干条件相干条件是指产生相干性的物理条件。
两个最基本的相干条件是：同一光源发出的光波应当是相干的；两个不同光源发出的光波应当在相对位置、波长和相位上一致。
4.相干长度相干长度是指一个光子在光学路径中保持相干的长度。
相干长度是波导、光纤和其他光学系统中的重要参数。
波长越长，相干长度越短，因为波长越短，相位关系更容易被破坏。
5.相干度相干度是用来描述两个或多个光源的相干性程度的参数。
其数学定义是两个相干光波的平均干涉强度与它们的总亮度之比。
相干度越高，干涉模式就越易于观察和测量。
6.应用相干性是光学中许多重要现象的基础，如Michelson干涉仪的原理、自聚焦效应和光波导。
相干光的应用范围广泛，包括激光器、干涉仪、成像、通信、拉曼光谱学和光场计算等领域。
总结光波的相干性是光学领域的重要概念，对于干涉、衍射和散射等现象的产生有着重要的影响。
在相干度和相干长度的帮助下，科学家能够更好地理解光学系统的行为，提高其稳定性和每单位时间的光功率。
相干性的理解和应用有助于推动光学领域的发展，满足未来的日益增长的需求。
电磁辐射的相干性和光的相干性
电磁辐射的相干性和光的相干性相干性是指波动过程中波源之间存在一定的关联关系，其特点是波的振幅、相位和频率之间存在确定的关系。
在电磁辐射和光的传播中，相干性起着重要的作用，影响着波的特性和传输的效果。
本文将从电磁辐射的相干性和光的相干性两个方面进行探讨。
一、电磁辐射的相干性电磁辐射是由电磁波组成的，包括电场和磁场。
当多个电磁波同时存在时，它们之间可能存在相位差，这会影响到电磁辐射的相干性。
1. 近场相干性在近场情况下，电磁波在空间中的传播距离相对较短。
此时，如果电磁波的相位差足够小，波的振幅和相位之间将保持一定的关系，即电磁波的相干性较高。
2. 远场相干性在远场情况下，电磁波在空间中的传播距离相对较长。
此时，电磁波的相位差可能会随着传播距离的增加而增大，导致相干性逐渐减弱。
当相位差较大时，电磁波的相干性较低。
二、光的相干性光是一种特殊的电磁辐射，具有自己独特的相干性特点。
光的相干性主要包括空间相干性和时间相干性。
1. 空间相干性空间相干性是指光波在传播中不同位置之间的相干性。
当光波经过狭缝或光栅等物体时，会发生衍射现象，此时光波的相位差可能会发生变化，导致空间相干性的改变。
2. 时间相干性时间相干性是指光波在传播过程中在不同时间点之间的相干性。
光波的时间相干性与光源的特性密切相关。
当光源具有较宽的光谱分布时，代表不同频率的光波可能同时存在，这会导致时间相干性较低。
相反，当光源具有较窄的光谱分布时，光波的频率较为集中，时间相干性较高。
综上所述，电磁辐射的相干性和光的相干性都是描述波动过程中波源之间关系的重要概念。
电磁辐射的相干性主要受到相位差的影响，而光的相干性则包括空间相干性和时间相干性两个方面。
了解和研究相干性对于深入理解电磁辐射和光的特性具有重要意义，对于相关领域的技术和应用有着广泛的影响。
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1.3 什么是时间相干性和空间相干性？怎样定义相干时间和相干长度?时间相干性：光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，描述的是光束传播方向上的各点的相位关系，与光束单色性密切相关。
空间相干性：光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性，描述的是垂直于光束传播方向的平面上各点之间的相位关系，与光束方向性密切相关。
相干时间t c，即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间间隔。
相干长度L c指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔。
二者实质上是相同的。
L c=t c∙c=C∆ν1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km，它的单色性∆λ/λ0应是多少？L c=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz∆λλ0=∆νν0=∆νc∙λ0=6.328×10−112.3 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm、λ=500nm和ν=3000MHz输出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？W=Pt=nhν当λ=10μm时， ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019当λ=500nm时，ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018当ν=3000MHz时，n=5.03×10232.4 设一对激光能级为E2和E1(f2=f1),相应频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：（1）当ν=3000MHz，T=300K时n2n1⁄=？（2）当λ=1μm，T=300K时n2n1⁄=？（3）当λ=1μm，n2n1⁄=0.1时，温度T=？（1）E2−E1=hν=1.99×10−24 J k b=1.38×10−23J K⁄n2 n1=f2f1e−(E2−E1)k b T=0.9995（2）同理得n2n1⁄=1.4×10−21（3）同理得T =6.26×103K2.10 激光在0.2m 长的增益介质中往复运动的过程中，其强度增加了30%。
光波的相干条件
光波的相干条件1. 引言相干是光波特性中重要的概念之一，它描述了光波的波动性质和干涉现象。
光波的相干性是指光波在时间和空间上的一致性程度。
在实际应用中，相干性对于光学干涉、成像等领域都起到至关重要的作用。
本文将介绍光波的相干条件，以及如何判断光波的相干性。
2. 光波的相干条件光波的相干条件是指光波之间必须满足一定的关系，才能够出现明显的干涉现象。
光波的相干条件主要有两个方面，即干涉条纹的清晰度和干涉条纹的稳定性。
2.1 干涉条纹的清晰度干涉条纹的清晰度是用来描述干涉条纹的明暗程度和清晰程度的。
在实际观察中，干涉条纹越清晰，说明光波的相干性越强。
2.1.1 光源的单色性光源的单色性是指光源发出的光波的色散程度越小越好，光波的频率应尽量单一。
如果光源的光波频率有多个成分，那么在干涉仪中就会产生多个干涉条纹，使得干涉条纹模糊不清。
2.1.2 时间相干性时间相干性是指光源发出的光波在时间上的一致性程度。
如果光源的光波在时间上是相干的，那么干涉条纹就会很清晰。
在实际中，我们可以通过光源的相干时间来判断光波的时间相干性，相干时间越长，干涉条纹越清晰。
2.2 干涉条纹的稳定性干涉条纹的稳定性是指干涉条纹的位置在时间和空间上的稳定程度。
2.2.1 空间相干性空间相干性是指光波在空间上的一致性程度。
如果光波的相干长度很长，那么干涉条纹就会比较稳定。
我们可以通过相干长度来判断光波的空间相干性，相干长度越长，干涉条纹越稳定。
2.2.2 相干波面相干波面是指多个波源发出的光波在某一波前面起伏相同，或者落差相差一个波长的情况下，波面的位置关系。
对于相干波面，干涉条纹的位置是稳定的。
如果相干波面的差距超过波长，干涉条纹将不再稳定。
3. 判断光波的相干性的方法在实际中，我们可以通过一些方法来判断光波的相干性。
3.1 干涉仪实验利用干涉仪可以观察干涉条纹，从而判断光波的相干性。
如果干涉条纹清晰明亮，说明光波的相干性较好；如果干涉条纹模糊不清，说明光波的相干性较差。
干涉条纹的可见度 光波的时间相干性
r0 y j ( ) j d
合成光强
- (/2) + (/2)
0 0 11 2 2 3 3 4 45 56
j 1 j
j
干涉条纹的可见度Ｖ→０
x
与此干涉级 j 对应的光程差是实现相干叠加的最大光程差：
2 max j , 定义：由光的单色性所决定的能产生干涉条纹的最大光程差
z
Ap 2
Ap 2
2 sin i2 cos i1 Ap1 sin( i1 i2 ) cos(i1 i2 )
二. 半波损失的解释
1. 劳埃德镜实验中 的半波损失
As1 sin( i1 i2 ) As1 sin( i1 i2 )
2. 维纳驻波实验中的半波I A12 A2 2 A1 A2 cos
2 A1 A2 ( A1 A2 ) ,V 2 2 A1 A2
2
I1 I 2 ( I1 I 2 )V cos
令I1 I 2 I 0
I 0 (1 V cos ) ——双光束干 涉光强分布表达式
§1-4 干涉条纹的可见度 *时间相干性和空间 相干性
一、干涉条纹的可见度(对比度或反衬度)
1. 定义： 2. 讨论：
I max I min V I max I min
当Imin=0时（暗纹全黑），V=1，最清晰；
当Imax=Imin时，V=0，不可辨认；
两列光相干叠加时， I max ( A1 A2 ) , I min
As1
As1
Ap1
i1 i1
A 1 p
n1
x
n2
i2 A s2
光波的描述
光波的描述
光波是一种电磁波，具有特定的频率、波长和能量。
以下是光波的一些主要描述：
1.频率：光波的频率是指单位时间内波动的次数，通常以赫兹（Hz）为单位表示。
频率是光波的一个关键参数，因为它决定了光波的能量和颜色。
2.波长：光波的波长是指两个相邻波峰之间的距离，通常以纳米（nm）为单位表示。
波长与频率成反比关系，即波长越长，频率越低；反之亦然。
3.能量：光波的能量是由其频率和振幅决定的。
高频率的光波具有更高的能量，而低频率的光波能量较低。
4.方向性：光波具有特定的传播方向，其方向与电场强度和磁感应强度垂直的方向相同。
5.相干性：当两束或多束光波在空间或时间上存在固定的相位差时，它们之间的相互干涉现象称为相干性。
6.偏振：光波的电场强度在传播方向上具有一定的振动方向，这种特性称为偏振。
偏振是光波的一个重要特性，它决定了光波在传播过程中的行为。
总之，光波是一种具有特定频率、波长和能量的电磁波，它具有特定的传播方向、相干性和偏振特性。
这些特性使得光波在许多领域中具有重要的应用，如通信、照明、成像等。
论述光的空间相干性和时间相干性
空间相干性的应用
01
全息成像
利用空间相干性，可以将三维物 体记录在光敏材料上，通过干涉 和衍射再现出物体的三维图像。
02
光学利用空间相干性，可以测量物体 的表面形貌、光学元件的表面质 量等。
在时间相干性中，光波的相位关系随时间变化。 如果两束光波在时间上有确定的相位关系，则 它们是时间相干的。
在空间相干性中，光波在不同空间位置的相互 关系。如果一束光波在不同空间位置具有确定 的相位关系，则它是空间相干的。
相干性的重要性
01
02
03
04
相干性是光学现象和光学系统 性能的关键因素，对干涉、衍 射、成像等光学过程有重要影
利用空间相干性，可以对光学信 号进行滤波、调制等处理，提高 信号的质量和传输效率。
03 光的空间相干性的实验验 证
双缝干涉实验
实验装置
实验结果
双缝干涉实验装置包括光源、双缝、 屏幕和测量装置。
如果光源发出的光是相干的，则干涉条 纹清晰可见；如果光源发出的光是不相 干的，则干涉条纹模糊不清或消失。
光计算中的相干性
全息计算
全息技术利用光的干涉和衍射原理， 对数据进行编码和解码。全息计算具 有并行处理和分布式存储的优点，适 用于大规模数据计算。
量子光学计算
量子光学计算利用光的量子相干性， 可以实现更高效和更安全的计算。例 如，量子隐形传态利用了光的空间相 干性，实现了信息的传输和加密。
光信息处理中的相干性
类型
光学滤波器有多种类型，包括干 涉滤波器、吸收滤波器、光学带 通滤波器和光学陷波滤波器等。
应用
在光谱分析、激光雷达、光学通 信和生物医学成像等领域有广泛 应用。
论述光的空间相干性和时间相干性PPT课件
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。
结语
数学描述： 空间相干性：相干线度： dc l / b 相干孔径角： / b 相干性反比公式：b
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τ ,则平均波列长度为Lc=cτ ，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 +Δ t，则当Δ t<τ 时,两列光波在P点能形成干涉条 纹；Δ t越接近于τ ，条纹越不清楚；当Δ t>τ 时，两 列光波位相间无确定关系，不能产生干涉现象。
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，能得到稳定的干涉条 纹的光源。
概述
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
(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
第一章光的干涉
2
1
0
[ A1 A 2 2 A1 A 2 cos( 1 2 )] dt A1 A 2
2 2 2
2
29
1.3 分波面双光束干涉
二、获得相干光的方法 典型干涉实验
1、获得相干光的方法：
• 一个原则：在任何时刻到达观察点的应该是 同一批原子发射出来，经过不同光程的两列波。 各原子的发光尽管迅速改变，但是任何相位改 变总是同时发生在这两列波上，因而它们到达 同一观察点时总是保持着不变的相位差。 • 两种办法：分波面和分振幅
二、 干涉现象
干涉是波动过程的一个基本特征。凡是能产生干 涉的现象，都可认为该现象具有波动性。
两列或两列以上波叠加，如果两波频率 相同，在观察时间内波动不中断，而且在相 遇处振动方向几乎沿着同一直线，那么它们 叠加后产生的合振动可能在有些地方加强， 在有些地方减弱，这一强度按空间周期性变 化的现象称为干涉。干涉所形成的整个图样 称为干涉图样。 7
则，二列光波在空间叠加后，同一级条纹的空间各点 几何位臵应满足条件：
r2 r1 常数
这些点的轨迹是以S1、S2为轴线的双叶旋转双曲面， S1、S2为双曲面的两个焦点. 23
二．干涉图样的形成
２、两个单色点光源干涉图样的形状
令
整个干涉花样在空 间分布的大致轮廓
双曲面和光屏面的交线
24
2
则 ，合振动平均值达到最大值，称 为干涉相长。（constructive interference）
(2)在相位差为
2 1 ( 2 j 1)
的 奇数 倍。
（j=0, 1, 2, 3, …）
则
I ( A1 A2 )
相干叠加的两光波必须满足的条件
相干叠加的两光波必须满足的条件相干叠加是指两个或多个具有一致性相位关系的光波相互叠加产生新的光波。
相干叠加可以导致干涉现象的发生，从而产生许多重要的光学效应。
这里我们将讨论相干叠加的必要条件。
两个光波相干叠加的必要条件可以从两个方面来讨论，即时间相干性和空间相干性。
首先，我们来讨论时间相干性的条件。
时间相干性是指两个光波在时间上存在一致的相位关系。
要实现时间相干叠加，必须满足以下几个条件：1.光源的连续性：要实现相干叠加，光源必须是连续的，即光的强度在时间上是连续变化的。
如果光源是间断的或者是脉冲光源，就不能实现相干叠加。
2.光波的光谱宽度：光波的光谱宽度越窄，相干叠加的效果就越好。
这是因为光的频谱宽度越窄，相应的相位差就越小，相干叠加的条件就越容易满足。
3.光波的相干时间：光波的相干时间是指两个光波之间的相位一直保持一致的时间。
如果两个光波的相干时间越长，相干叠加的效果就越好。
相干时间可以通过光波的相干长度来衡量，相干长度越大，相干时间越长。
其次，我们来讨论空间相干性的条件。
空间相干性是指两个光波在空间上存在一致的相位关系。
要实现空间相干叠加，必须满足以下几个条件：1.频率一致性：两个光波的频率必须完全一致，即它们的波长必须相等。
如果两个光波的频率不一致，它们的相位将会随时间的变化而产生不一致的变化，无法实现一致的相位叠加。
2.方向一致性：两个光波必须具有相同的传播方向。
如果两个光波的传播方向不一致，它们的相位差将会随位置的变化而产生不一致的变化，无法实现一致的相位叠加。
3.空间相干面积：空间相干面积是指在这个面积内，两个光波之间的相位关系保持一致。
空间相干面积越大，相干叠加的效果越好。
空间相干面积与两个光波的波前的重叠程度有关，波前的重叠程度越高，空间相干面积越大。
最后，我们还可以提到一些其他的条件，如功率相干性、偏振一致性等。
总体来说，相干叠加的条件是相对严格的，需要满足许多相位关系和相干性的要求。
浙大光学工程复试题目
--------------------------------------------------------------------------------浙江大学光学工程复试参考题目1、激光的全称,其特性与应用激光一词在英文中就是“Laser”,就是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写,意为“受激发射的辐射光放大”。
特性:(1)单色性:指光强按频率的分布状况,激光的频谱宽度非常窄;(2)相干性:时间相干性与空间相干性都很好;(3)方向性:普通光源向四面八方辐射,而激光基本沿某一直线传播,激光束的发散角很小;(4)高亮度:在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大;激光与普通光的根本不同在于激光就是一种光子简并度很高的光。
应用:光电技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。
2、望远镜的物镜直径选择根据公式知望远镜物镜的直径影响到一下因素:分辨率、景深直径大则分辨率高,反之则分辨率低;直径大景深小,反之则景深大;3、几何光学的7种误差、单色像差:球差、彗差、场曲、像散、畸变复色像差:位置色差、倍率色差4、全息技术、成像原理、用处全息术就是利用“干涉记录、衍射再现”原理的两步无透镜成像法,把从三维物体来的光波前记录在感光材料上(称此为全息图),再按照需要照明此全息图,使原先记录的物光波的波前再现的一种新的照相技术,它就是一种三维立体成像技术。
特点:(1)能够记录物体光波振幅与相位的全部信息,并能把她再现出来,应用全息术可以获得与原物相同的立体像;(2)实质上就是一种干涉与衍射现象;(3)全息图的任何局部都能再现原物的基本形状。
用处:(1)制作全息光学元件。
全息光学元件实际上就是一张用感光记录介质制作的全息图,它具有普通光学元件的成像、分光、滤波、偏转等功能,并有重量轻、制作方便等优点,广泛应用于激光技术、传感器、光通信与光学信息处理等领域;(2)全息显示利用全息术能够再现物体的真实三维图像的特点,就是全息术最基本的应用之一;(3)全息干涉计量,例如可用于各种材料的无损检测,非抛光表面与形状复杂表面的检验,研究物体的微小变形、振动与高速运动等;(4)全息存储就是一种存储容量大、数据传输速率高与随机存取时间短且能进行并行处理的信息存储方式。
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7/11/2013
相干时间的度量
相干时间：考虑空间一定点P，光波列通过该 点所需的时间，即定义为该光波的相干时间。
可见
2 t0 L c c
相干时间是描述光场纵向相干性的； 相干时间由光源的单色性决定； 相干时间的长短反映光场时间相干性的好坏。长－ 好，短－差； 相干时间可用相干长度来度量－ -可通过迈克耳孙 实验测量。
7/11/2013
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第1章 光的干涉
• max称为相干长度。由光源的单色性决定
！这里是从干涉图 样来分析的
7/11/2013
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第1章 光的干涉
1.5.3* 时间相干性
实际光源的光谱线都有一定的频率宽度（波长范围 ）- -亦即相应的发光时间t是有限的。因此所发波 列的长度L＝c t也是有限的。 由于原子发光的随机性，不同波列间没有确定的初相 位关系，所以不同波列间是不相干的。 P27 图1-14中a、b两波列是不相干的。如下图所示
P
d’
s’ r’1 s r’2
)
S1 d S2 r0 P0
r’0
7/11/2013
具体 分析
第1章 光的干涉
具体分析
－以杨氏干涉实验为例
P
d’ s’ r’1 s
S1
d ) S2 r0 P0
先讨论两个线光源s’ 和s的情况
r’2
r’0
s’到s的距离d’变大，s’的干涉图样相对s的向下平移； 极限情况：s’干涉图样的最大与s的最小重合，此时干涉条纹的 V＝0 0 s到P0的光程差： s’到P0的光程差： ' r2 'r1 ' d sin d d 又 极限情况： ' 2 d ' 2 tg r0 ' s’与s间的距离： d ' r0 '
波长为的单色光，j级明纹的位置 波长为＋的单色光，j级明 纹的位置 j级明纹的宽度
j
d
r0 yj j ( ) d
y j
r0 j d
随着干涉级j的增大，同一级干涉的宽度增大，可见度下降. 第1章 光的干涉
7/11/2013
j+1
+ +
条纹分辨的极限
1.5 干涉条纹的可见度 光波的时间相干性和空间相干性
1.5.1 干涉的可见度 1.5.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响 1.5.3 时间相干性 1.5.4 光源线度对干涉条纹的影响 1.5.5 空间相干性 光的空间相干性与时间相干性是共存的， 可用相干体积进行度量
相干体积=相干长度*相干面积
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7/11/2013
第1章 光的干涉
1.5.1 干涉的可见度
可见度：亦称对比度、反衬度。是描述干涉图样中条纹的强弱对比 的。其定义为： I max I min 当Imin=o时，V＝1，条纹反差最大，清晰可见： V I max I min 当Imin=Imax时，V＝0，条纹模糊不清，不可辨 影响可见度的因素：很多。对理想的相干点光源，主要因素是振幅 比。由双光束干涉强度分布公式 2 频率单一； 2 2 I A A1 A2 2 A1初相位一定； A2 cos 可见度可表示为 光束窄。
j
条纹分辨的极限：波长为的j＋1级与波长为 ＋的j级条纹重合，条纹的可见度差为
j ( ) ( j 1)
与V＝0，对应的干涉级为
j
与这对应的光程差是实现相干的最大光程差 2 max j ( ) ,
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1.5.4 光源线度对干涉条纹的影响
干涉实验中，通常使用的光源总是具有一定的宽度 －－扩展光源。可看作是由很多条线光源构成的； 由于每一个线光源在屏上均形成一组干涉条纹，这 些条纹不重合，干涉图样间有一定位移，位移量的 大小与线光源到屏的距离有关。这些条纹间是非相 干叠加，叠加结果使得条纹的可见度下降。
则有
2 L max
波列的长度L（即是相干长度） 由光源的单色性决定，
时间相干性－描述到达空间定点处两列波的相关程度
若在观察点前后两时刻传来的光波来源于同一波列，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，称为无时间相干性。 继续讨论 第1章 光的干涉
P
a S S1 b S2
P0
7/11/2013
具体分析
第1章 光的干涉
P
具体分析
S1 S S2 P0
波列a 经s1、s2分波面后次波列a1、a2。
若a1、a2在P点相遇，则出现干涉图样 若a1、a2不能同时到达P点，即光程差大于波列的长度。此 时在P点相遇的是来自不同波列的光波，不相干，则无干涉 图样 ！这里是从波源的 临界情况，s1、s2到P点的最大光程差等于波列的长度， 发光机制来分析的 即max＝L。亦即a1通过P点时，a2刚好到达P点。
I I 0 (1 V cos )
7/11/2013
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第1章 光的干涉
1.5.2 光源的非单色性对干涉条纹的影响
干涉实验中，通常使用的光源并不是理想的单色光源， 波长一般在＋内。 由于每一个波长的光均形成一组干涉条纹，且除零级外， 其他各级条纹相互间是不重合的，且是非相干叠加，叠 加结果使得条纹的可见度下降。 r0 以杨氏干涉实验为例具体分析 y j
第1章 光的干涉
7/11/2013
空间相干性
空间相干性：是描述光场中在光的传播路径上空间横 向两点在同一时刻光振动的关联程度；亦即是说，对 给定宽度的扩展d0’光源，在它照明的空间中在横向 波面上多大的范围内提取出来的两个次光源S1和S2还 是相干的？(两次波源间距小于或等于dmax) 空间相关性也称横向相干性； 空间相干性与光源的线度有关，光束窄－空间相 干性好；实验中常通过限制光束的宽度，来提高 光场的空间相干性； 光的空间相干性与时间相干性是不能严格分割的。实 际光源既有一定的宽度，也的一定的谱线宽度，光场 的空间相干性和时间相干性是同时存在的。实际干涉 中需同时考虑。
2d
若杨氏干涉实验中用的是扩展光源，其宽度为d0’，且d0’=2d’。
面光源分成许多相距为d’的线光源对，由于每对线光源叠加后的可见 度为零，故整个干涉图样的可见度为零。 d0’称为临界宽度，扩展光源的线度大于、等于其值时，可见度为零
7/11/2013
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第1章 光的干涉
.S1’
1.5.5 空间相干性
) ( A1 A2 ) ( A1 A2 ) 2 A1 A2 A2 V 2 2 ( A1 A2 ) 2 ( A1 A2 ) 2 A1 A2 1 ( A1 )2 A2
2 2
2(
A1
若令I0＝I1+I2=A12+A22－－双光束光强之和，则双光束 干涉强度分布可表示为
.S1 d0’ ) r0 ’ . dmax S2.
.S1”
.S ’ 由临界宽度(实验装置给定时， 对光源宽度的要求)： r0 ' d 0 ' 2d ' d
2
S2 ”
双缝的最大间距(光源宽度给定时，对缝间 距的要求) ： r ' d max 0 d0 ' 在r0’、d0’及给定时。 若缝宽等于或大于dmax，则屏上无干涉图样，s1 与s2不相干； 若缝宽小于dmax，则屏上有干涉图样， s1与s2是 相干，或称两光场具有空间相干性； 上图S1与S2、S1”与S2”相干，S1’与S2’不相干。