光的干涉中的时空相干性

光学作业

设计题目：薄膜干涉中额外光程差的问题

学院：电气工程学院

专业：物理学

班级： 12级物理学本科（2）班

作者姓名：张凤霞

学号： 2012021251

光的干涉中的时空相干性

张凤霞

摘要;通过光的相干条件,对光的干涉中的时空相干性进行分析和讨论。

关键词：光的干涉；时间；空间；相干性

1 引言

光波的时空相干性是物理学中极为重要的一个概念。相互迭加的两列波是否会产生干的持续时间有联系的时间变量,也要考虑与光源的尺寸有关联的空间变量,而且还要考虑被分成的两束光相遇前光程差的大小。然而光的相干性是一个较为复杂的问题，所以有必要对光场的时空相干性作较为深入的探讨。

2 相干条件

能够引起干涉现象的光源称为相干的。不是所有的光源都是相干的（如两盏灯泡），所以只有光源满足一定条件时才能相干，即：

(1)两列光波频率相同且在相遇点振动方向相同、位相差恒定。

（2)所产生的振动的振幅不能相差太大。

(3)两列光波在相遇点的光程差不能太大。

3 时间相干性

时间相干性是在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。现在来考察一下杨氏干涉实验，如图1所示,研究杨氏干涉51’和凡‘所发二光波在屏幕上迭加成的干涉条纹。设:‘为光源所发光的平均持续时间,一般乙在1于85数量级,即辐射的不是无限正弦波,

而是一个波列,其在真空或空气中平均波列长度为:L。一几C。不考虑光源线度对干涉条纹清晰度的影响,t和t+△t分别为光自51‘和从‘传到尸点所用的时间。若匀<瓦,则和一个波列所对应的两个波列在尸点总能有相遇机会,可产生干涉条纹,△t越大,同一波列所对应的二波列重迭部分越小,条纹越不清晰。若△t>乙,两个波列在尸点不能相遇,干涉条纹完全消失。由此可见,瓦表征光源在不同时刻所发光仍可产生干涉现象的界限,称为相干时间。L。为可产生千涉现象的光程差的界限,称为相干长度。光源在时间间隔T‘之内所发光是相干的,超过这一界限所发的光是不相干的,光波这种具有一定相干时间:。的性质,便是它的时间相干性。:‘或几越大,时间相干性就越好,所以用r。和L。可以衡量光源时间相干性的好坏程度。

由上述讨论可知，波列的长度至少等于最大光程差，所以得波列的长度L为

上式表明，波列长度羽光源的谱线宽度成反比，即光源的单色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。又由波列的长度可确定它通过考察点所需的时间，即

显然，衡量光波场时间相干性好坏是由相干时间的长短。

4 空间相干性

空间相干性是在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性。如图4所

示,实际的相干光源并非无限小,它们都有一定的线度。即使光源所发波列为无限长,即真正的单色光,也可能使干涉条纹模糊或根本不出现干涉条纹。干涉条纹的清晰程度除与光源线度有关以外,还和屏G的位置(即D。)以及S,还d有关。若给定光源的线度和D。,则在屏G存在一个以O点为对称中心的一块面积A,只要S1‘和S2‘在乙A上则在观察屏幕上能够产生干涉条纹,若S1’和S2’在A之外则不能产生干涉条纹,这一面积称为相干面积,光源这一具有相干面积的性质称为空间相干性。A越大,空间相干性越好,所以可以用A来量度空间相干性的好坏。

综上所述，光场的空间相干性是描述光场中的光的传播途径上空间横向两点在同一时刻光振动的关联程度，所以又称为横向波相干性。显然，光的空间相干性与光的线度有关。

5 时空相干性的统一

光的空间相干性和时间相干性总是共存的。例如在杨斯实验中，考虑屏上离P。点较远时，不仅涉及空间相干性问题，也出现了时间相干性问题，因为光波分别从S1和S2传播到场点所需要的时间不同，可见，在实际干涉场中光的空间相干性和时间相干性总是共存的。再说光源不同部分的独立程度和光波波列长短也有关系,不能设想真的有一个点光源发出无限长波列而两点光源又是相互独立的。实际问题中,时空二因素是联系在-起。

6 结论

从以上讨论可知,光的干涉中的时空相干性的本质在于光既具有波动性又具有粒子性,即，波粒二象性。但是,空间相干性和时间干性是两个不同的概念,虽然它们都是看光场中各点会产生干相的问题,然而,空间相干是由面光源不同部分发光的独立性引起的,表现在光场的横方向(波前)上。而时间相干性是由光源发光过程在时间上的不连续性引起的,表现在光场的纵方向(波线)上。

参考文献：

【1】姚启均. 光学教程[M]. 2 版. 北京：高等教育出版社，1989：36-43.

【2】王继红. 光的时空相干性[J]. 北京石油化工学院学报，2002，8（2）：12.

【3】刘国城. 光的干涉中的时空相干性[J]. 胜利油田职工大学学报，2000，14（2）.

【4】韩淑文. 光波时空相干性的实验演示[J]. 齐齐哈尔大学学报，2007,23（5）：9.