相干光源与非相干光源对比-《大学物理》

1.相干条件

在杨氏实验里，S1和S2作为两个点光源发出光波在空间相遇，屏幕上可观察到干涉条纹，所以S1和S2两个点光源是相干的，称它们为相干光源。但是日常经验告诉我们，如果房内挂着两盏亮着了的灯（或同一发光体上两个不同部分），在墙上决不会观察到明暗相间的、周期性排列的干涉条纹，而是一片均匀的照明，这究竟是什么原因呢？这和普通光源发光的微观机制有很大的关系。我们知道光是光源中许多原子或分子发射的，发射过程是一种量子过程。粗略地说，这些原子、分子每次发射的光波不是严格的简谐波，波列都是有限长的，发射波列的持续时间不会大于10-8s。原子或分子的发光过程有自发辐射和受激辐射两种。普通光源（即非激光光源）的发射过程以自发辐射为主，这是一种随机过程，每一个原子或分子先后发射的不同波列以及不同原子或分子发射的各个波列，彼此之间在初相位上没有什么联系，振动方向也各不相同，频率也可以不同。总之，许多断续的波列，持续时间比通常探测仪器的响应时间要短得多，初相位、振动方向是无规则的，频率也有多种，这就是普通光源发光的基本特征。在了解了普通光源发光的特点后，就不难明白为什么两个独立的普通光源不能产生干涉现象了。让我们再来讨论这个问题，并设振动方向和频率是相同的。

对于任意的两个普通光源（或同一光源的两个不同部分）发出的光波，由于对于通常的仪器探测时间内是无法固定的，而是在不断地变化着，其值的范围为0～2π，所以在这种初相位差变化完全无规的情况下，δ的余弦时间平均值为零，即有，从而式化为，即I=I1+I2，说明了空间任一点P的光强是两个普通独立光源单独在P点的光强之和，此时，这两个光源是非相干的，它们的强度是非相干叠加。由此可知，两个光源在空间要产生相干叠加，呈现出干涉条纹，除了要满足两光源发出的光波的频率相同、振动方向相同外，尚需满足第三个条件，即它们发射的光波之间有稳定的初相位差。总之，频率相同、振动方向相同和有稳定的初相位差乃是两波源在空间产生干涉必须满足的三个条件，这三个条件称为相干条件。

由以上讨论可知，两个普通的独立光源所以不相干主要是受了以下两个条件的限制，即光源相干性差和探测器的响应时间长。但自1960年激光源问世以后，出现了时间相干性很好的激光源，波列长度可达几千米乃至数十千米，同时快速光电器件大量被采用，有响应时间为纳秒（毫微秒）乃至皮秒（微微秒）的快速光电器件作为探测器，因而有可能实现两个独立激光源或一个激光源不同部位的干涉。这方面已有不少的人做了许多工作。(www.xing528.com)

2.相干光源的实现

如上所述，对于普通光源而言，我们不能简单地由两个实际点光源或面光源上的两独立部分组成两相干光源，为了保证相干条件，通常的办法是利用光具组将同一波列分解为二，使它们经过不同的途径后重新相遇。由于这样得到的两波列是同一波列分解而来的，它们频率相同、相位差稳定、振动方向也可做到基本平行，从而满足相干条件，可产生稳定的、可观测的干涉条纹。分解波列的方法有两种。（1）波阵面分割：将点光源的波前分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经衍射、反射或折射交叠起来，在一定区域内产生干涉。杨氏实验就是波阵面分割的典型装置，波阵面分割干涉装置还有劳埃德镜、菲涅耳双面镜和菲涅耳双棱镜等。（2）振幅分割：采用一个或多个部分反射的表面，在各表面上光波一部分被反射，一部分被透射，最简单的振幅分割干涉装置是薄膜，另一种重要的振幅分割干涉装置是迈克耳逊干涉仪，它是近代多种分振幅干涉仪的原型。在这里要强调的是，我们讨论的干涉是理想化的情况，即完全单色光束之间的干涉，而且在许多场合还假定各光束都遵守几何光学定律，而忽略衍射效应，我们讨论前述的杨氏实验，正是遵循这些原则的。