相干性

相干性是光学中最重要的概念之一，与光表现出干涉效应的能力密切相关。当不同位置或不同时间的电场值之间存在固定的相位关系时，称为相干光场。

波的相干条件为频率相同，振动方向相同，相位差恒定。两个波彼此相互干涉时，因为相位的差异，会造成相长干涉或相消干涉。假若两个正弦波的相位差为常数，则这两个波的频率必定相同，称这两个波“完全相干”。两个“完全不相干”的波，例如白炽灯或太阳所发射出的光波，由于产生的干涉图样不稳定，无法被明显地观察到。在这两种极端之间，存在着“部分相干”的波。

将某些过程或技术称为相干或不相干也很常见，在这种情况下，“相干”本质上是指相位敏感。例如，相干光束合成的方法一般依赖于光束的相互相干性，而光谱（非相干）光束合成则不依赖于光束的相互相干性。

空间与时间的相干性

相干性有两个截然不同的方面：

• 空间相干性是指光束轮廓不同位置的电场之间的强相关性（固定相位关系）。例如，在光束质量受衍射限制的激光器的光束横截面内，不同位置的电场以完全相关的方式振荡，即使时间结构因不同频率分量的叠加而变得复杂。空间相干性是激光束强方向性的必要前提。
• 时间上的相干性意味着在一个位置但不同时间的电场之间有很强的关联性。例如，单频激光器的输出可以表现出非常高的时间相干性，因为电场在时间上的演变是高度可预测的：它在很长一段时间内表现出干净的正弦振荡。

图1~3进一步说明了空间和时间相干性之间的区别。作为参考，图2显示了一个单色的高斯光束，表现出完美的空间和时间相干性。

图2 显示了具有高空间相干性但较差时间相干性的光束。波前形成如上，光束质量仍然很高，但光束的幅度和相位沿传播方向变化。请注意，波面的局部振幅和间隔都在一定程度上变化。这样的光束可以从超连续光谱的输出中产生，例如：

图3显示了空间相干性降低但时间相干性高的激光束。波前变形，导致光束发散度高，光束质量差。另一方面，光束是单色的，因此变形波前的间距保持不变。这样的光束可以由单频激光器输出通过一些光学不均匀的材料时产生。

如果一束具有高度空间相干性的激光被送过一个光学扩散器元件（例如，一块非常不均匀的玻璃），该元件完全扰乱了波前。那么只要波前畸变不随时间变化，所产生的畸变光束，原则上仍然可以被认为是具有空间相干性的。因为不同点上的电场之间的相位关系仍然是固定的。原则上还可以通过应用补偿复杂空间失真的另一个光学元件来恢复简单的光束形状。 然而，对于大多数实际目的而言，这种扭曲的光束在空间上是不相干的。然而，空间相干性的真正破坏需要随时间变化的波前畸变，例如，可以通过旋转扩散器获得。在这种情况下，时间相干性也会有所降低，而如果只使用固定扩散器，时间相干性将完全保持。

激光的相干性

空间相干性

激光有可能产生具有非常高空间相干性的光束（例如高斯光束），这可能是激光与其他光源辐射之间最根本的区别。激光的高空间相干性源于谐振腔模式的存在，该模式定义了空间相关的场模式。

时间相干性

当只有单个谐振腔模式且具有足够的激光增益来振荡的情况下，可以选择单个纵模，从而获得具有非常高时间相干性的单频操作。使用额外的技术来稳定频率，可以在很大程度上进一步减小线宽。一些激光系统作为光频标准，线宽低于1Hz，这意味着极高的时间相干性和数十万公里的相干长度。

另一方面，许多激光器以多种模式发射，而这些模式的光学频率大不相同，其时间相干性也相应较低。即使是单频激光器，由于强烈的相位噪声，时间上的一致性也会很弱。例如，在激光二极管中经常可以看到这种情况。

一个特例是用于超短脉冲的激光器，其中光学带宽和时间相干性之间的关系非常重要。来自锁模激光器的脉冲序列可以具有较宽的总带宽，傅立叶频谱由离散的非常窄的谱线（频率梳）组成。时间相干性可以非常高，因为对于接近脉冲周期的整数倍的大时间延迟来说，有很强的场关联性。