[激光原理与应用-39]：《光电检测技术-6》- 光干涉的原理与基础

news2024/11/24 3:17:12

第1章概述

1.1 什么是光干涉

1.2 产生干涉的必要条件

1.3 非相干光 - 自发辐射无法产生干涉

1.4 相干光 - 受激辐射

1.5 时间相干性

1.6 空间相干性

它山之石

第1章概述

1.1 什么是光干涉

它是指因两束光波相遇而引起光的强度重新分布的现象。

指两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加，形成新的波形现象。

这是从光是一种波（即波动性）的角度来解释干涉现象，对于两束电磁波的干涉，我们也可以将其描述为：彼此振动的电场强度向量叠加的结果。

而在实验中，光会体现出一种波粒二象性，即光是一种概率波。当光的粒子数密度极高（或数量极高），且探测仪器分辨本领远低于一个光子的能量时，则可以看做是经典电磁波，遵循麦克斯韦方程组。因此，从光的粒子性角度来描述干涉，就是：光的干涉也是光子自身的概率幅（probability amplitude，描述粒子的量子行为的复函数）叠加的结果。

虽然光在某种程度上表现出粒子性，但是在当前（二十一世纪初）以干涉术为手段的量测手段中，我们大多数情况下只考虑光的波动性，即以光是电磁波为主的几何光学原理作为参考。

在波恩与沃尔夫的《光学原理：光的传播、干涉和眼内设的电磁理论》书中，通过一段实验上的现象描述引入干涉的概念：

例如，如果用适当的仪器 把光源来的光分成两束，然后把他们 叠加起来，就会发现叠加区域中的强度在极大与极小之间逐点变化：极大超过二光束强度之和，极小可能是零。这种现象称为干涉。

1.2 产生干涉的必要条件

频率相同/波长相同
电磁场振动方向相同
相位差恒定
两光波光程差小于波列长度
相干波路径间距小于相干长度

1.3 非相干光 - 自发辐射无法产生干涉

自发辐射的结果：

频域：有一定的频谱宽度
时域：幅度呈现不规则变化

1.4 相干光 - 受激辐射

受激辐射过程：

电子从激发态向基态跃迁不是自发形成的，而是由外界光子照射引起，并且照射光子的能量与两种能态的能量差相等。

随跃迁产生的新光子的相位与激励源光子的相位相同，因而具有相同能量和相位的光子数得到放大。如果进一步用谐振器增加反馈，就会引起相同相位的激光震荡，这样就可以得到接近为正弦波的电磁波，这种光即为相干光（coherent light）。

相干辐射的结果：

频域：频谱很窄
时域：幅度呈现规则变化
聚光性：

在透镜系统中，非相干光用透镜聚光，因产生辐射的位置独立且不相同，仅能在透镜焦点形成虚像。而相干光用透镜聚光，因产生光子为等相位面且相互平行，可在透镜焦点聚焦为波长大小的点。

时间相干性 Temporal coherence：光的振幅变化作为时间的一元函数所观察到的现象。
空间相干性 Spatial coherence：光的振幅也是在空间坐标系中的函数。

而光作为一种电磁波，其振幅也是在空间坐标系中的函数，因此也存在空间相干性。

1.5 时间相干性

光波在一定光程差下能够发生干涉，把光通过相干长度所需的时间称为相干时间。

同一光源在相干时间 Δt 内不同时刻发出的光，经过不同几何路径相遇时能产生干涉，这种干涉性称为时间相干性。

举例：一道光对观察者迎面而来，若是在同一位置、但不同时间点，由观察者所量的波长都一致，那么就表示这道光在这段时间内具有良好的时间相干性。

即干涉实验中，光屏沿光线方向平移，光屏上某一固定点上产生的周期性明暗变化，体现干涉光束间的时间相干性。典型范例就是在相位移术中，通过逐步改变待测物与参考面间的光程差获得的干涉条纹，用“距离位移换取时间位移”（“时间位移转化为距离位移”）的方式获得的干涉现象：

关于相位移术，参考大佬文章：

三言两语说「相移」，四步相移的前世今生259 赞同 · 51 评论文章

时间相干性高，表明光的波长成分较为单一，即光的单色性高/带宽小/频宽小。

光源的单色性指：光源具有很小的光谱宽度 Δλ 或频宽 Δf 。

而较大频宽/带宽/多色成分构成的光，每个波长组分的光其产生的干涉条纹相位周期不一样，即条纹间隔不一，因此相互叠加使可见度（visibility）降低，具有较小的时间相干性。干涉条纹只存在于较小的光程范围内，在波长组分的公倍数距离处附近会形成干涉波包，这便是白光干涉的原理，利用白光光源短相干性、产生干涉波包的特点来进行干涉仪量测。