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[激光原理与应用-291]：理论 - 波动光学 - 相关光与不相干光：光的干涉不是随随便便就能产生的，需要满足严格的条件方能产生光的干涉（条纹）

news 2025/8/20 22:02:05

一、相关光与不相干光

相干光是指两束光在传播过程中保持相同的相位差，具有相同的频率和振动方向（或波形完全一致）的光。其核心特征是能够产生稳定的干涉现象，具体条件及特性如下：

干涉的条件是：某一位置的光波的强度是恒定的，人眼观察到的是光波的强度。强度恒定，就是振幅恒定，人眼就能够观察到！如果强度不恒定，就会忽高忽低，就看不稳定的图案了。

相干条件：
- 频率相同：两束光的振动频率必须完全一致，如同“步伐一致”的双胞胎。
- 振动方向相同：电场振动方向（光矢量）需平行，否则无法有效叠加，不同振动方向（偏振方向）的光在振幅上无法形成叠加效果。
- 相位差恒定：相遇时相位差必须固定，不能随意变化，相位差固定，才能形成周期性的干涉，否则只能局部形成干涉，无法形成周期性和规律性！！！
特性与现象：
- 干涉性：相干光相遇时会产生稳定的明暗条纹（干涉条纹），如杨氏双缝实验中激光通过双缝后形成的条纹。
- 单色性：相干光波长非常单一，频谱宽度极窄。
- 偏振性：振动方向具有特定关系，表现为偏振状态。
- 应用：激光是典型的相干光源，广泛应用于精密测定、微定位、激光陀螺、全息照相、光纤通信等领域。
获得方法：
- 波阵面分割法：如杨氏双缝实验，将同一波阵面的两点作为子光源，确保相位同步。
- 振幅分割法：如薄膜干涉，利用薄膜或半透半反镜将一束光分成两束路径不同的光。

非相干光则是指光波相位随机变化，不满足相干条件的光。其核心特征是无法产生干涉现象，具体条件及特性如下：

非相干条件：
- 频率不同：光波频率随机变化。
- 振动方向随机：电场振动方向无固定关系。
- 相位差不稳定：相位差随时间随机变化（幅度也就会不断变化）。
特性与现象：
- 互不干涉：非相干光相遇时不会产生干涉现象。
- 多色性：光波波长不单一，频谱宽度较宽。
- 无偏振性：振动方向无特定关系，表现为无偏振状态。
- 应用：自然光、LED灯光等是非相干光的典型例子，广泛应用于照明、红外探测等领域。
发光机理：
- 普通光源（如白炽灯、LED）由大量原子随机发光组成，每个原子仅发出极短的波列（约10⁻⁸秒），且不同原子的光波相位和方向杂乱无章，因此无法形成稳定的干涉。

相干光与非相干光的对比：

相干光与不相干光的典型示例可通过其光源特性、干涉能力及实际应用场景来区分，以下是具体分类与说明：

相干光的核心特征是频率相同、振动方向一致、相位差恒定，能够产生稳定的干涉现象。其典型来源包括人工干预的光源或特定物理过程。

原理：通过受激辐射和光学谐振腔的反馈作用，使光波在腔内多次往返时相位同步，输出高度相干的光。
特点：
- 单色性极好：频谱宽度极窄（如He-Ne激光器波长632.8nm，线宽可小于1MHz）。
- 方向性优异：光束发散角极小（接近平行光）。
- 高亮度：能量集中，可远距离传输。
应用：
- 精密测量：激光干涉仪测量长度、位移、振动（如LIGO引力波探测）。
- 通信：光纤通信中传输信息（如1550nm波长激光）。
- 医疗：激光手术（如视网膜修复）、皮肤科治疗。
- 工业：激光切割、焊接、3D打印。

不相干光的相位随机变化，无法产生稳定的干涉现象，其来源通常是自然发光或普通人工光源。

来源：太阳、白炽灯、火焰等。
特点：
- 多色性：包含广泛波长（如太阳光覆盖可见光到红外）。
- 随机相位：原子发光过程独立，频率相同但相位无关联。
- 非偏振性：振动方向在各个方向均匀分布。
现象：
- 无法干涉：两束自然光相遇时，光强简单叠加，无明暗条纹。
应用：
- 日常照明：家庭、街道照明。
- 红外探测：利用自然光中的红外成分进行热成像。

白炽灯：
- 原理：钨丝通电发热发光（黑体辐射）。
- 特点：光谱连续，但相干性极差。
荧光灯/LED：
- 原理：荧光灯通过气体放电激发荧光粉发光；LED通过半导体电子-空穴复合发光。
- 特点：
  - 频谱较宽：LED发光波长范围约20-50nm。
  - 相位随机：每个原子发光时间极短（约10⁻⁸秒），相位无关联。
应用：
- 通用照明：室内外照明、显示屏背光。
- 显示技术：LED显示屏、液晶显示器（LCD）背光。