时间相干性
《时间相干性》课件
CHAPTER
时间相干性的未来发展
时间相干性与量子信息处理
研究时间相干性在量子信息处理中的影响和应用，如量子纠缠、量子计算等。
03
时间相干性在图像信号处理中的应用
研究如何利用时间相干性提高图像的清晰度和稳定性。
01
时间相干性在雷达信号处理中的应用
研究如何利用时间相干性提高雷达信号的检测和跟踪精度。
距离分辨率
语音识别
音频信号的时间相干性对于语音识别的准确性至关重要。通过对语音信号的时间相干性进行分析，可以提取出更准确的语音特征，提高语音识别的准确率。
音乐分析
音乐信号的时间相干性对于音乐分析也具有重要意义。通过对音乐信号的时间相干性进行分析，可以深入理解音乐的节奏、旋律和和声等特性。
VS
时间相干性分析有助于提高图像处理的稳定性。通过对连续帧图像的时间相干性进行分析，可以去除图像中的噪声和抖动，提高图像的清晰度和稳定性。
自相关函数法
利用互信息函数来度量两个信号之间的相似性，从而判断时间相干性。
互信息法
通过对信号进行傅里叶变换，得到其频谱图，观察频谱图的连续性和尖锐性，判断时间相干性。
周期图法
通过计算两个信号的相关系数，判断其时间相干性。相关系数越接近1，时间相干性越好。
相关系数法
通过对信号进行傅里叶变换，得到其功率谱密度，观察功率谱密度的集中程度和尖锐性，判断时间相干性。
在通信、雷达、声呐等领域，时间相干性对于信号处理和目标识别具有重要意义。
频率相干性是指信号在频率域上的相干性，即信号在不同频率分量之间的相关性。
但对于非周期性信号，时间相干性和频率相干性之间的关系可能较为复杂，需要通过具体分析来确定。
02
CHAPTER
时间相干性
计算 ，取λ0=550nm
选做内容
1、 研究钠光的谱线宽度
借助He-Ne激光，调出等厚干涉直条纹并找出等光 程点，换用钠光源，测量从等光程点到钠光干涉条纹 彻底消失时对应的d值的变化量⊿d= Lm，计算钠光谱 的谱线宽度。
2、利用迈克耳孙干涉仪的白光干涉，测量透明薄片
的折射率n(已知厚度l)或厚度l(已知折射率n):只写方案 即可
原因：与光源的时间相干性有关
读数系统
粗动手轮读数 主尺
微动手轮读数
标尺（最小分度1mm）、粗动手轮（0.01mm）、 微动手轮(0.0001mm)
读数系统
粗动手轮读数窗口
主尺 微动手轮
主尺＋粗动手轮读数＋微调手轮读数 最后读数为：33.52246mm
实验目的
研究光拍现象，测量钠黄光两条谱线的平均波 长 、的波长差 和其不确定度 U Δλ
实验内容
1.测量钠黄光(双谱线结构光源)的平均波长:
扩展光源,定域干涉 步骤 1:利用氦氖激光发生器调节迈克耳孙干涉仪到可使用状态 （定域等倾干涉，中心圆环不随视线吞吐） 2:放置钠光灯,观察钠黄光的定域干涉现象 （与氦氖红光类似的黄色圆环，如果模糊调节薄膜厚度） 3:找到一个拍中的可以测量范围，测量平均波长 （测量起始位置最好在一个拍的开始阶段，测量方法同必做实 验）
D0 D1
D3 D4
D2
D5
δ D的平均值
d d
条纹数 条纹数 环纹向中心吞进 环纹从中心吐出
k 2d cos (2k 1) 2
(明纹) (暗纹)
每吞吐一个圆环， 相干光的光程差改变λ ，吞吐N个环纹， 光程差改变为 δΔ = 2 δd ＝ N λ
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。
激光原理课后习题-陈鹤鸣-赵新彦精选全文完整版
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%。
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
时间空间相干性
•
波传播时间差有关的，不确定的位相差导致的，只有传播时间差在 一定范围内的波才具有相对固定的位相差从而相干的特性叫波的时间 相干性。 • 时间相干性的产生 • 时间相干性与源的单色性直接相关。例如光波，假设光源发出的 波频率在ω1-ω2的范围内。由不同传播路径传播至同一点的两路光波 具有与频率有关的相位差。在无色散的情况下，不同频率的光波的光 程差L是一定的，而位相差等于2πL/λ。只有L=0，也就是无光程差为 零的时候，位相差才与波长或者说频率没有关系。频率为ω1的光波 的位相差与频率为ω2的位相差之差为2πL/λ1-2πL/λ2=2πL∆λ/λ^2。而 频率在此之间的光波的位相差之差在0到这个值之间。最终的光场是 各频率光各自的相干结果的非相干叠加。当2πL∆λ/λ^2远远大于1时， 非相干叠加就会使得干涉条纹消失。
• 波在空间不同区域可能具有不固定的相位 差，只有在一定空间范围内的光波才有相 对固定的位相差，使得只有一定空间内的 光波才是相干的。这种特性叫做波的空间 相干性。
• 扩展光源的空间相干性 如图，设扩展光源上不同的点发出的光是不相干的。扩展光源上不同的 两点a和b发出的光波在距离为z处的两个点A,B处的位相差是不一样的, 相差2πdD/λz。a,b之间发出的光波在A,B两个点的位相差与a点发出 的光在A,B的位相差之差在0到2πdD/λz之间。由AB两处的光波作为次 波源相干而成的光相当于由光源S上不同点的发出光在AB两处的光场 产生的干涉光的非相干叠加。如果dD/λz远大于1，那么非相干叠加就 会使得每个干涉光产生的条纹完全抵消，最终看不见干涉条纹。对于 已知形状的均匀光源，可以严格积分出抵消程度与dD/λz的关系。因 此，空间相干性又可以用于测量光源大小。
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。
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§3.8 时间相干性
氦氖激光 0.6328m 1011 m
Lc
2
0.63282 1011
40km
白光 光源
0.55μm 0.40m
Lc
max
0.40 2 0.55
10 2 mBiblioteka 要想看到白光 干涉必须在零
光程的位置
总结
1、一个原则 一个原子一次发光中取得 2、两大类型
§3.8 时间相干性
光源发出的列波越长，即相干时间越长，两波相互叠 加的部分就越多，干涉条纹越清晰，时间相干性越好
时间相干性与光源的单色性相关。 I 相关长度Lc与谱线宽度有关系： I0
Lc
2
I0 /2
E t o
谱线宽度
0
光谱的单色性越好，相干长度越长，时间相干性越好。
衍射是波动性的重要依据。1924年德布洛意关 于物质波的假设，也是由电子衍射实验证实。
4
分波面和分振幅 3、三个典型装置
双缝 多缝 薄膜 4、四个基本问题 装置 相干光束和光程差 强度分布 应用
第四章 光的叠加Ⅱ
衍射现象是波动性的另一重要表现。它也是光相干叠加的结果。
波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边 缘前进这种偏离直线传播的现象称为衍射现象。
衍射是波的共性。波长较长的波较容易观察到衍射， 如无线电波和声波，光波的衍射最早由格利马尔第 （Grimaldi）于1665年观察到，1818年菲涅尔解释。