1.2.3相干性

電磁輻射具有波動(dòng)性，任何電磁波都可以看作是正弦波的疊加。根據(jù)波動(dòng)理論，每列波都可以用一個(gè)波動(dòng)方程來(lái)描述，即

式中，A為振幅；ω=2πν為角頻率；φ為初始相位；（ωt+φ）為波的相位。

相干波意味著各子波之間有確定的位相關(guān)系。如果兩列波滿足振動(dòng)方向相同，頻率相同，相位差恒定的相干條件，它們就是相干的。圖1-8給出了三列波y1，y2，y3及它們相干疊加的結(jié)果，在圖1-8（a）中，三列波相位完全相同；在圖1-8（b）中，三列波具有不同的相位。

對(duì)于普通光源而言，其發(fā)光機(jī)制是發(fā)光中心（原子、分子或電子）的自發(fā)輻射過(guò)程，不同發(fā)光中心發(fā)出的波列，或同一發(fā)光中心在不同時(shí)刻發(fā)出的波列相位都是隨機(jī)的，因此光的相干性極差，或者說(shuō)是非相干光。而激光是通過(guò)受激輻射過(guò)程形成的，其中每個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一種相干光，這是激光與普通光源最重要的區(qū)別。對(duì)普通光源采用單色儀分光，通過(guò)狹縫后可得到單色性很好的光，其相干性也很好，但是，這樣獲得的相干光強(qiáng)度非常弱，實(shí)際上無(wú)法應(yīng)用。

相干性包括時(shí)間相干性和空間相干性，下面分別從這兩個(gè)方面來(lái)討論激光的相干性。

1.時(shí)間相干性

時(shí)間相干性描述沿光束傳播方向上各點(diǎn)的相位關(guān)系，指光場(chǎng)中同一空間點(diǎn)在不同時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性。時(shí)間相干性通常用相干時(shí)間tc來(lái)描述，相干時(shí)間指光傳播方向上某點(diǎn)處，可以使兩個(gè)不同時(shí)刻的光波場(chǎng)之間有相干性的最大時(shí)間間隔，即光源所發(fā)出的有限長(zhǎng)波列的持續(xù)時(shí)間。相干時(shí)間和單色性之間存在簡(jiǎn)單關(guān)系，即

可見(jiàn)，光源單色性越高，則相干時(shí)間也越長(zhǎng)。

有時(shí)用相干長(zhǎng)度Lc來(lái)表示相干時(shí)間，相干長(zhǎng)度指可以使光傳播方向上兩個(gè)不同點(diǎn)處的光波場(chǎng)具有相干性的最大空間間隔，即光源發(fā)出的光波列長(zhǎng)度。相干長(zhǎng)度可表示為

式（1-4）說(shuō)明，相干長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上與相干時(shí)間是相同的，都與光源單色性的好壞密切相關(guān)。

普通光源中，相干性最好的Kr86燈的相干長(zhǎng)度為800mm，而He-Ne激光的相干長(zhǎng)度為1.5×1011mm。

2.空間相干性

空間相干性描述垂直于光束傳播方向的波面上各點(diǎn)之間的相位關(guān)系，指光場(chǎng)中不同的空間點(diǎn)在同一時(shí)刻光場(chǎng)的相干性，可以用相干面積來(lái)描述，即

式中，θ為光束平面發(fā)散角。由式（1-5）可以看出，光束方向性越好，則其空間相干性也越好。

對(duì)于普通光源，只有當(dāng)光束發(fā)散角小于某一限度，即時(shí)，光束才具有明顯的空間相干性，Δx為光源的限度。

對(duì)于激光來(lái)說(shuō)，所有屬于同一個(gè)橫模模式的光子都是空間相干的，不屬于同一個(gè)橫模模式的光子則是不相干的。因此，激光的空間相干性由其橫模結(jié)構(gòu)所決定，單橫模的激光是完全相干的，多橫模光束的相干性變差。同時(shí)，單橫模光束的方向性最好，橫模階次越高方向性越差，由此可見(jiàn)，光束的空間相干性和它的方向性（用光束發(fā)散角描述）是緊密聯(lián)系的。

激光的相干性有很多重要應(yīng)用，如使用激光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)，比普通干涉儀速度快、精度高。全息照相也正是成功地應(yīng)用激光相干性的一個(gè)例子。