光源相干性

目录引言 (1)1光源时间相干性的概述及其理论分析 (1)1.1干涉条纹的对比度 (1)1.2光源单色性 (2)1.3时间相干性 (2)2实验原理 (3)2.1光源相干长度、相干时间的测量原理 (3)2.2波长的测量原理 (5)2.3钠灯D双线（D1、D2）波长差的测量原理 (6)3实验设计与方案 (7)3.1各种光源干涉条纹的调节及与相干长度、相干时间的测量 (7)3.2实验数据记录及处理 (10)结束语 (12)参考文献 (13)英文摘要 (13)致谢 (14)光源时间相干性的研究物理系0701班 学 生 梁 勇指导教师 高 雁摘要：本文介绍了光的时间相干性概念，利用迈克尔逊干涉仪，对白光及具有不同谱线宽度光源的干涉现象进行观察对比，测量出它们的线宽及相干长度，对测量结果进行分析，得出光源的相干时间、相干长度与干涉条纹清晰度关系的一般性结论。

加深对光源时间相干性的理解。

关键词：对比度；光强；相干时间；相干长度引言虽然光学是物理学中最古老的一门基础学科，但是在当前科学研究中依然活跃，具有很强的生命力和研究价值。

从十七世纪开始，人们发现彩色的干涉条纹并开始对其进行观察研究，一直以来以光的直线传播观念为基础的光的本性理论动摇了，从此开始进入了光的波动理论的萌芽期。

十九世纪初，波动光学初步形成，产生了很多一系列的干涉方面的理论，光源的时间相干性概念也就是此刻被提出并引入了干涉理论当中去的。

光源的时间相干性是掌握光的干涉和衍射现象的一个很重要的方面，它用相干长度和相干时间来表示。

光源时间相干性主要是与干涉现象中条纹的清晰度有着很大的关联，知道了它们之间内在的影响关系之后，就可以很容易的，通过改变某些条件来得到清晰的对比度较好的条纹，从而便于我们观察，加深认识，也更容易对波动光学理论的基础进行理解跟掌握。

在当今，社会生活中的很多方面都与光的时间相干性有着紧密的联系，在光的时间相干性的基础上运用光的干涉进行精度的评估，如长度的精密测量，及检验工件表面的差异等。

北京大学物理实验报告光源的时间相干性§1 目的要求1. 观测几种光源的相关长度，加深对光源时间相干性的理解。

2. 测定汞黄双线的波长差∆λ。

3. 测定汞黄线的线性与线宽δλ，定量认识谱线的线型，线宽δλ和双线波长差∆λ对干涉图各有什么影响。

§2 仪器用具M–干涉仪，He–Ne激光器，汞灯，白炽灯，小孔光阑，扩束透镜，黄干涉滤片（透过光谱宽度12nm，中心波长为578.0nm），橙色玻璃。

§3 实验原理光源的相干性可用谱线宽度∆λ和最大光程差∆L max来表示，也可用相干长度和相干时间来表示。

通过M–干涉仪产生干涉条纹时，干涉条纹的反衬度（可见度）定义为γ= I max −I minI max + I min式中：I max和I min为干涉条纹相邻强度的最大值和最小值。

当光程相等时，可见度最大，缓慢移动M1镜，则可以改变光程差，条纹的可见度也随之变化。

当条纹彻底消失时，可见度为零，由此确定最大光程差∆L max。

时间相干性的来源：原子的发光是断续的，无规则的，发出的波列也是有限的，非单色的。

对于确定的谱线，就有一定的谱线宽度δλ，以及两波列发生干涉的最大光程差∆L max。

光源的时间相干性问题：（1）理想单色光：波列为无线长，若两束相干光光强相等，即使光程差连续改变，可见度仍为1。

事实上并不存在这种理想单色光。

（2）准单色光：设某一准单色光中心波长为λ0，谱线宽度为δλ。

该准单色光视为有波长(λ0 −δλ/2)到(λ0 + δλ/2)之间，连续变化的光波组成。

每一个波长产生相应的干涉条纹，彼此是不相干的，总强度为不同波长产生干涉条纹的叠加。

当波长为(λ0 −δλ/2)的（k+1）10 0 级波长和波长为(λ0 + δλ/2的第k 级波长正好重合时，条纹的可见度为零。

此时对应的光程差∆L max 叫相干长度。

即下式：可得： ∆L ≤ ∆L max = (k + 1)(λ0 − k = λ0 δλδλ δλ ) =k (λ0+ ) 2 2λ2∆L max = δλ 由上式便可以求出光源的时间相干性：t = ∆L max c λ2 = c δλ（3）双线结构的光：光源发出的光含有波长λ1和λ2，且λ1 −λ2 ≪λ1。

工程光学课程设计（论文）题目数字化分析光的相干性学院物理与电子工程学院光源的相干性分析与应用摘要：光的相干性是光学中的重要概念之一。

相干效应可分为空间相干性和时间相干性，前者与光源的几何尺寸有关，后者则与光源的相干长度或单色性（带宽）有关。

迈克耳逊干涉仪为测量时间相干性提供了一种方便的技术；空间相干性则由杨氏双逢实验作出了最好的证明。

实际上许多光源都不是理想的点光源，而是有一定的几何尺寸的扩展光源，产生的光不可能是单色的。

一般来说，我们可以这样认为，对普通光源（扩展光源）的相干性分析，同时也适用于点光源，最深层的精髓没有发生变化。

本文介绍了用MATLAB仿真杨氏双缝干涉的实验，来数字化处理实验现象，以减少客观的误差对于整个实验的影响，方便同学们能够更好地了解。

同时也着重介绍了迈克尔逊干涉仪工作的基本原理，时间相干性的基本概念以及用不同光源为例，简单的说明光源的时间相干性的问题。

根据光源的一些特性，还有一些具体的应用，激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。

比如激光的应用。

激光在未来的发展过程中，将会有更大的发展前景。

关键字：时间相干性；MATLAB；空间相干性；迈克耳孙干涉仪；激光目录第一章引言 (1)第二章理论基础 (1)2.1 相干时间和相干长度 (1)2.2 空间相干性 (2)2.3 时间相干性 (3)2.4相干性的描述 (4)2.4 迈克尔逊干涉仪的工作原理 (4)第三章光源的相干性分析和应用 (5)3.1 杨氏双缝干涉与空间相干性 (5)3.2 迈克耳孙干涉仪与时间相干性 (8)3.2.1干涉条纹的可见度 (8)3.2.2不同的光说明时间相干性 (9)3.3应用 (10)第四章全文总结 (11)4.1 主要结论 (11)4.2 主要创新点 (12)仿真代码 (12)参考文献 (13)第一章引言虽然光学是物理学中最古老的一门基础学科，但是在当前科学研究中依然活跃，具有很强的生命力和研究价值。

光的相干性与相干长度→ 电磁波的相干
性与相干长度
光的相干性与相干长度
介绍
光的相干性是指光的波峰和波谷之间的关系，在一定时间范围内是否呈现出一定的规律性。

相干长度是指在这一时间范围内，光保持相干性所能传播的最远距离。

光的相干性
光的相干性与波的相位一致性有关。

当两个光波的相位相对稳定且一致时，它们是相干的。

相干性可以通过干涉实验来检测，如杨氏双缝干涉实验和迈克尔逊干涉仪。

相干长度
相干长度是指在光传播过程中，保持相干性所能传播的最远距离。

相干长度与光的频率有关，频率越高，相干长度越短。

影响相干性和相干长度的因素
1. 光源的相位稳定性：如果光源的相位不稳定，光的相干性会降低。

2. 光波的频率：频率越高，相干长度越短。

3. 光波的波长：波长越长，相干长度越长。

4. 光的传播介质：光在不同介质中传播时，相干性和相干长度会发生变化。

应用
1. 光学干涉：光的相干性使得光波可以干涉并形成干涉条纹，用于测量物体的形状、厚度等参数。

2. 光学相干层析成像：利用光的相干性，可以通过透明物体的光的干涉来实现高分辨率成像。

3. 光学通信：光的相干性保证了光信号在传输过程中的稳定性和可靠性。

结论
光的相干性和相干长度是光学中重要的概念。

了解光的相干性和相干长度有助于深入理解光的特性，并在各种应用中发挥作用。

⼤学物理光源、光的相⼲性、杨⽒双缝第三篇波动光学基础第5章光的⼲涉第6章光的衍射第7章光的偏振第5章光的⼲涉光学------研究光的现象；光的本性；光与物质相互作⽤。

⼏何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各种光学仪器的理论。

波动光学：以光的电磁波本性为基础，研究传播规律，特别是⼲涉、衍射、偏振的理论和应⽤量⼦光学：以光的量⼦理论为基础，研究光与物质相互作⽤的规律。

§5-1 光源光的相⼲性⼀、光源普通光源：⾃发辐射激光光源：受激辐射1、普通光源的发光机理：例如：普通灯泡发的光；⽕焰；电弧；太阳光等等。

光源的最基本的发光单元是分⼦、原⼦！)/hE 1E 2⾃发辐射跃迁波列波列长 L = τ c发光时间τ≈10-8s原⼦发光是间隙式的。

各个原⼦的发光是完全独⽴的，互不相关：它们何时发光完全是不确定的；发光频率、光的振动⽅向、光波的初相位以及光波的传播⽅向等都可能不同。

因此,不同原⼦发的光不可能产⽣⼲涉现象！多原⼦不同步地发出许多相互独⽴的波列。

2、光的颜⾊和光谱可见光：3900 ? —— 7600 ?包含各种波长成分 3、光强光是电磁波：实验表明，能引起眼睛视觉和照相底⽚感光作⽤的是光波中的电场 E 光⽮量：E光振动：E随时间周期性的变化光的波动⽅程002cos E E t x πω?λ?=+-E →光⽮量Hv独⽴（不同原⼦发的光）独⽴（同⼀原⼦先后发的光）能流密度：S E H =?002cos E E t x πω?λ?=+-光强 20I E ∝⼆、光的相⼲性1、光的相⼲性光的相⼲条件：频率相同，光振动⽅向相同，相位差恒定两光源发出的光传播到 P 点，在 P 点所引起的光振动⽅程分别为=+-2202022c o s E E t r πω?λ?=+-P 点合成光振动()00cos E E t ω?=+P 点合成光⽮量的振幅2220102010202c o s E E E E E ?=++? ()()2010212r r πλ=---P 点光强12I I I ?=++? （1）⾮相⼲叠加相位差 ?? 不恒定 12I I I =+ （2）相⼲叠加相位差 ??恒定12I I I ?=++?S 2S 1r 1r 2pP 点的光强不随时间变化，不同位置 ?? 不同，光强 I 不同光强稳定分布的图样⼲涉相长： 2k ?π?=± （0,1,2,k = ）→明纹中⼼⼲涉相消： ()21k ?π?=±+ （0,1,2,k = ）→暗纹中⼼ 2、获得相⼲光的⽅法：“将光源上同⼀原⼦同⼀次发的光分成两部分，再使它们叠加”分波阵⾯法：杨⽒双缝⼲涉，菲涅⽿双⾯镜，洛埃镜分振幅法：薄膜⼲涉§5-2 杨⽒双缝⼲涉⼀、杨⽒双缝⼲涉实验英国科学家 Thomas Young(1773-1829)~10, ~d m D m -）波程差： 21sin r r d δθ=-≈（ D d ，θ很⼩）任⼀点P 的位置：tan sin x D D θθ=≈1、条纹位置：两条光线的相位差为()()0201212r r πλ?=---()2122r r ππδλλ=--=-ss 1 s 2细线光源单⾊⼲涉相长和⼲涉相消的条件为2k ?π?=± （0,1,2,k = ⼲涉相长(21)k ?π?=±- （1,2,k = ）⼲涉相消⽤波程差δ表⽰为sin 22d k λδθ==± （0,1,2,k = 光强最⼤（亮）()212d k λδ==±- （1,2,k = ）光强最⼩（暗）θδ=其它值介于亮暗之间线位置 t a nθθδ=≈= （1）明纹中⼼Dx k d λ=± （0,1,2,k = ）光强最⼤→明纹中⼼位置0k =，00x = ，0δ= ? 0级中央明纹（ 0??= ）1k =，1D x d λ±=±，δλ=± ? 1±级明纹 2k =，22D x dλ±=±，2δλ=± ? 2±级明纹可以看出：x 越⼤，波程差越⼤，⼲涉条纹的级次也越⼤。

光源相干的三个条件
光源的相干性是指光波之间存在一定的相位关系，这种相位关系决定了光波的干涉、衍射和干涉等现象。

以下是光源相干的三个条件：
1、波长相近：要实现光源的相干性，光波的波长应该相近，即具有相似的频率。

如果两个或多个光波的波长差异较大，它们的相位关系将会迅速变化，导致无法形成明显的干涉或衍射效果。

2、光源发出的光是单色的：单色光指的是波长非常窄的光波，即只包含一个特定波长的光波。

例如，激光器产生的光就是单色光。

单色光可以确保光波之间的相位关系保持稳定，从而实现相干性。

3、光源是空间相干的：空间相干性指的是光波在传播过程中保持一定的相位关系。

为了实现空间相干性，光源应该是点光源或者是距离较小的小面积光源。

如果光源的尺寸较大，光波会由于不同位置上的相位差而失去相干性。

形成散斑的条件散斑是一种光的干涉现象，当光线通过一个遮挡物后，遮挡物上的光波与周围的光波相遇，产生干涉现象，就形成了散斑。

散斑的形成条件是多样的，下面将详细介绍几种形成散斑的条件。

1. 光源的相干性形成散斑的第一个条件是光源的相干性。

相干性是指光波的频率、相位和振幅等在一定范围内保持稳定的特性。

只有相干的光波才能产生干涉现象，从而形成散斑。

常见的相干光源有激光和自然光经过干涉仪等装置后的光。

2. 光线的平行性形成散斑的第二个条件是光线的平行性。

当光线经过遮挡物后，遮挡物上的光波与周围的光波相遇产生干涉，如果光线不是平行的，则无法产生干涉现象，也就无法形成散斑。

因此，为了形成散斑，需要保持光线的平行性。

3. 遮挡物的尺寸和形状形成散斑的第三个条件是遮挡物的尺寸和形状。

遮挡物的尺寸和形状决定了光线通过遮挡物后的衍射效应。

当遮挡物的尺寸较小或形状复杂时，光线通过遮挡物后会发生较强的衍射，产生更明显的散斑效应。

因此，选择合适的遮挡物尺寸和形状是形成散斑的重要条件之一。

4. 探测器的灵敏度形成散斑的第四个条件是探测器的灵敏度。

探测器是用来接收和测量散斑的光信号的装置。

探测器的灵敏度越高，可以感知到更微弱的光信号，从而更准确地测量散斑的干涉效应。

因此，选择合适的探测器是形成散斑的关键条件之一。

5. 环境的稳定性形成散斑的第五个条件是环境的稳定性。

环境的稳定性包括温度、湿度和振动等因素的影响。

这些因素会导致光源、遮挡物和探测器等元件的性能发生变化，从而影响散斑的形成和测量。

为了获得稳定的散斑效应，需要在稳定的环境条件下进行实验。

总结形成散斑的条件包括光源的相干性、光线的平行性、遮挡物的尺寸和形状、探测器的灵敏度以及环境的稳定性等多个方面。

只有满足这些条件，才能产生清晰明显的散斑效应，并进行准确的测量和分析。

因此，在进行散斑实验时，需要注意并控制这些条件，以获得可靠的实验结果。

散斑不仅在物理学中有着广泛的应用，还在光学成像、光学检测和光学仪器等领域中发挥着重要的作用。

部分相干光源的空间相干性测量与分析部分相干光源，它与激光一样具有良好的方向性，高的亮度，但是从总体来说几乎是空间完全非相干的。

这样的光源具有独特的优点，没有散斑噪声，具有非常好的传输特性，能有效的克服大气湍流带来的光强扰动的影响，广泛的用于成像、照明、指示和大气通讯等领域。

1 实验原理部分相干光的最主要的特征在于空间上的部分相干性，即光屏上两个点之间距离越大，相干性越小。

如对于部分相干的Collet-Wolf 光源，相干性g(ρ) 与两点间距离ρ之间满足：易看出标准差σg 就是它的相干性衰减的一个尺度，超过这个尺度相干性迅速衰减。

对于其他的部分相干光，迅速衰减的特性与之类似。

图 1部分相干光源在迈克尔逊干涉仪中，一束入射光分为两束，经反射后进行干涉。

通过调节两束干涉光的光程和反射时的倾角来得到不同的干涉图样。

本实验在它的基础上作了如图1所示的修改：图 2 部分相干光相干性测量光路1. 将单纯的激光光源换为由激光和旋转毛玻璃组合成的部分相干光源。

2. 为了观察到其部分相干的特性，利用柱透镜对分束后的某一束光进行了竖直方向的反转。

2 实验内容2.1 实验仪器图2中每个元件具体参数如下：•激光器为波长为532nm 的半导体激光器•L1 为焦距为15mm 的凸透镜•L2 为焦距为50mm 的凸透镜•G 为毛玻璃及其步进电机•F 为直径可调的光阑•M1 和M2 为平面镜•CL1 为焦距为2cm 的水平放置的柱透镜2.2 实验操作调整各光学元件，使其共轴，光轴平行于光学平台。

调整最下方的平面镜的位置及倾角，使CCD 图像上的条纹最粗，这时两个分光路等光程且两平面镜互相垂直。

再调节该平面镜，使两平面镜在水平或竖直方向存在一定的夹角，以获得不同间距的竖直、水平或倾斜的条纹。

加上旋转的毛玻璃，观察实验现象上的差别。

图 3 平行入射时相位差为0和π的模拟结果图 4倾斜入射时的模拟和实验结果3 数据处理及其分析3.1 不同情况下的条纹对比度特性没有加毛玻璃时，如图5所示，是普通的迈克尔逊干涉图样。

光学通信中的相干光传输技术原理与实现光学通信是一种以光信号作为信息载体的通信方式。

相较于传统的电信号传输方式，光信号传输具有更大的带宽，更低的损耗和更高的传输速率。

在光学通信中，相干光传输技术发挥着关键作用。

本文将介绍相干光传输技术的原理及其在光学通信中的实现。

一、相干光传输技术的原理相干光传输技术是指通过合理的光源选择、信号调制和光传输路线设计等手段，使得光信号之间保持一定的相位关系的传输技术。

相干光传输技术的原理主要包括光源相干性、相位调制和波分复用等方面。

1. 光源相干性光源的相干性是相干光传输技术的基础。

在光通信中，常用的光源有激光器和LED。

激光器具有很好的相干性，可以产生相干光信号。

而LED则具有较低的相干性，不适用于相干光传输。

选择适合的光源可以保证光信号的相干性。

2. 相位调制相位调制是相干光传输技术中重要的环节。

通过改变光信号的相位，可以实现对光信号进行编码和解码，提高传输的可靠性和传输速率。

常见的光相位调制技术包括直接调制、二进制相移键控(BPSK)调制和四进制相移键控(QPSK)调制等。

直接调制是一种简单且常用的相位调制方法，它通过改变光信号的驱动电流或电压，直接改变光信号的相位。

BPSK和QPSK调制是一种更高级的调制方式，可以在同样的带宽下传输更多的信息，提高传输速率和系统容量。

3. 波分复用波分复用是相干光传输技术中另一个重要的原理。

它是利用不同波长的光信号在光纤中传输，从而实现多路复用。

通过将多个不同波长的光信号传输在同一根光纤中，可以大大提高光纤的利用率和传输容量。

波分复用技术在光通信系统中具有重要的应用价值。

二、相干光传输技术的实现相干光传输技术的实现需要光源、调制器、光纤等组件的配合。

下面将详细介绍相干光传输技术的实现过程。

1. 光源选择首先需要选择合适的光源。

激光器是常见的光源选择，具有较高的相干性和光强。

然而，在特定的应用场景下，可能需要选择其他类型的光源，如LED。