光束的空间与时间相干性在《非线性光学与光子学》中的探讨

一般而言，光场的相干性是指在该光场范围内，在给定时刻相对于空间两个不同考察点处，光场振动行为的相位相关性；或者是指在给定空间同一位置处，去考察两不同时刻光场振动行为的相位相关性。前者被称为光场的空间相干性，而后者被称为光场的时间相干性。

1）空间相干性

一种准定向光束的空间相干性的好坏，可用横向相干长度dcoh来表征，该参量定义为

式中，λ为光的波长，θ为光束的平面发散角。横向相干长度的物理含义是，在光束横向方向上间距≤dcoh的任意两点处的光场振动之间，有基本可预测的相关关系。由式（1-16）可见，光束的发散角愈小，则dcoh愈大，亦即空间相干性愈好。在此基础上，还可进一步引入另一有关的参量，亦即光束的横向相干截面，它定义为［13］

相干截面的物理意义是，如果在光束的横截面上考察，则处于Scoh面积内任意两点处的光场振动，有基本可预测的相关关系。

对于一个理想的平面光波来说，

这意味着在光束横向无限大空间任意两点间的光场振动，总有完全可预测的相位关系。

对一个几何截面为S的准定向光束而言，如果其平面发散角θ=θdif，这里θdif≈λ/d0为该光束的衍射极限角，d0是光束的几何直径，则有dcoh=d0和Scoh=S，这对应着所谓单横模光束。此情况下，在该光束几何截面内任意两点处的场震动，均有可预测的确定相位关系。从以上说明可得出结论，理想平面波与单横模光束，都是完全空间相干的光波场。

2）时间相干性(www.xing528.com)

一种准单色光束时间相干性的好坏，可用相干时间tcoh来表征，定义为［1，14］

相干时间的物理含义是，在光束所在空间任意一点处，在不同时刻的时间间隔≤tcoh前提下，所考察的前后光场振动之间，有基本可预测的相位关系。由上式可见，光束的单色性愈好，tcoh值愈大，则时间相干性愈好。

对于一种理想的单色波来说，有

这意味着在空间同一点处考察时间间隔为任意大的前后光场振动，彼此间总是有完全确定的相位关系。因此理想的单色波是一种完全时间相干的波场。对实际的准单色光而言，随着谱线宽度Δv的加宽，时间相干性随着降低。

3）相干体积

为综合表征一种准定向与准单色光束的空间和时间相干特性，可迸一步引入一个称为相干体积的物理量，它被定义为

式中，lcoh=ctcoh为光束的纵向相干长度，c为光速。一般而言，相干体积愈大，则光束的空间与时间相干性也愈好。对于一个理想的单色平面波而言，其相干体积为无限大。

对出自普通光源的光辐射而言，光束发散角和光谱宽度都十分大，而相应的空间和时间相干性都十分差，因此通常被称为非相干光辐射。与此相反，出自各类激光器的输出光辐射，均具有十分小的光束发散角和十分窄的光谱宽度，因此空间与时间相干性都十分好，故被称为相干光辐射。