光学相干性

相干性衡量光场在不同时间或位置的相位之间的相关程度，决定了是否能观察到干涉现象。

Definition

光场在空间或时间上不同点之间与其自身统计相关性，其特征是相关函数，相关函数的大小决定了干涉条纹的可见度。

Scope

本主题涵盖了部分相干光的统计描述。它区分了与光谱带宽相关的“时间相干性”（由相干时间和相干长度量化）和与光源角大小相关的“空间相干性”（由相干面积量化）。它介绍了互相关函数和复相干度，条纹可见度与相干度之间的联系，以及连接光源几何形状与空间相干性的范西特-泽尼克定理。它将相干性视为控制干涉和衍射可观测性及对比度的属性。

Core questions

• 时间相干性与空间相干性有何区别？
• 光谱带宽和光源尺寸如何限制相干性？
• 相干度与条纹可见度之间有何关系？
• 光源的几何形状如何决定其空间相干性？

Key concepts

• 时间相干性
• 空间相干性
• 相干时间
• 相干长度
• 相干面积
• 相干度
• 条纹可见度
• 范西特-泽尼克定理

Key theories

互相关函数和相干度

场在两个时空点上的相关性定义了互相关函数；其归一化幅度，即复相干度，等于所得干涉条纹的可见度。

范西特-泽尼克定理

来自扩展非相干光源的光的空间相干性由光源强度分布的傅里叶变换给出，因此更大或更远的光源会产生更大的相干面积。

Clinical relevance

宽带光源的短相干长度被应用于低相干干涉测量和光学相干断层扫描（OCT），以定位来自特定组织深度的反射，从而实现眼睛和其他器官的微米级截面成像。

History

现代相干性统计理论在20世纪中叶发展起来，其基础是范西特（van Cittert）和泽尼克（Zernike）在20世纪30年代关于空间相干性的工作。沃尔夫（Wolf）提出了一个统一的相关函数框架并成为标准，后来曼德尔（Mandel）将其扩展到量子领域。

Key figures

• Emil Wolf
• Frits Zernike
• Pieter van Cittert

Seminal works

• bornwolf1999
• mandelwolf1995

Frequently asked questions

相干长度和相干时间有什么区别？

相干时间是波的相位保持可预测的时间间隔，而相干长度是光在该时间内传播的相应距离；两者都随着光源光谱带宽的增加而缩短。

为什么激光如此相干？

激光从单一模式发射窄带波长，使其具有较长的相干长度，并且其输出以明确的光束形式出现，使其具有高空间相干性，这就是它产生清晰、高对比度干涉图样的原因。