本页目录

光学 III · 干涉与相干性

层次:本科核心 | 与物理站的分工:🔗 物理站 opt-01 给出干涉衍射的物理推导;本页讲工程用途——干涉如何成为最精密的测量手段,以及"相干性"这个常被一笔带过、却处处决定设计的概念。 把光当作波,立刻得到几何光学永远给不出的东西:用光的波长作尺子。

学习层:相位只有在可见度账本里才变成测量

1. 具体谜题:为什么两束一样亮的光也可能没有条纹?

迈克尔逊干涉仪在探测器处合并两束光,各自强度 \(I_1=I_2=1\)。若相位差为 \(\Delta\varphi=0\),你会预测探测器读到 0、1 还是 4?若把其中一束旋转成与另一束正交的偏振,强度总和仍是 2,但条纹会不会保留?再把白光的谱宽从 \(10\,\mathrm{nm}\) 换成单频激光的 \(0.001\,\mathrm{nm}\),允许的光程差会扩大还是缩小?

2. 先预测:哪一个旋钮改变条纹,哪一个只改变底座?

先写下四项预测:① 在 \(|\gamma|=0.6\)、两束等强时,最大/最小强度与可见度是多少;② 两臂强度变成 \(I_1=4,I_2=1\) 后,完美相位稳定能否恢复 \(V=1\);③ 若移动一臂 \(0.25\,\mu\mathrm m\)、波长为 \(0.5\,\mu\mathrm m\),相位周期走过几分之一;④ 相干长度只有 \(5\,\mu\mathrm m\) 时,光程差 \(20\,\mu\mathrm m\) 还能否给出稳定包络。实验先收下预测,再显示相位、可见度与包络。

3. 最小 mental model:振幅叠加,探测器读平方

把每一路看成复振幅 \(E_k=\sqrt{I_k}e^{i\varphi_k}\)。在探测器处先相加,再取模平方;因此相位差只会通过交叉项进入强度。相干性 \(\gamma\) 是对有限带宽、时间漂移和空间不一致的压缩描述:它把“相位能不能被共同预测”变成 0 到 1 的可设计量。

4. 正式机制:可见度、相干长度与条纹计数

\[ I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1I_2}|\gamma|\cos\Delta\varphi, \qquad V=\frac{I_{\max}-I_{\min}}{I_{\max}+I_{\min}} =\frac{2\sqrt{I_1I_2}}{I_1+I_2}|\gamma|. \]

时间相干长度近似为 \(L_c=c/\Delta\nu\approx\lambda^2/\Delta\lambda\)。迈克尔逊中反射镜移动 \(\Delta x\) 造成往返光程变化 \(2\Delta x\),每当 \(2\Delta x=\lambda\) 就走过一个条纹周期。\(V\) 是相位信息可被强度读出的幅度证书;它不是“亮度高低”的同义词。

5. 静态实验:把相位翻译成强度

无 JavaScript 时的静态读法:默认 \(I_1=I_2=1\)、\(|\gamma|=0.6\),于是

\[I_{\max}=2+2(1)(0.6)=3.2,\qquad I_{\min}=2-1.2=0.8,\qquad V=0.6.\]

若改为 \(I_1=4,I_2=1\),则 \(I_{\max}=7.4\)、\(I_{\min}=2.6\)、\(V=0.8\times0.6=0.48\);相位仍稳定,但光束不平衡损失可见度。对于 \(\lambda=0.5\,\mu\mathrm m\)、\(\Delta\lambda=0.05\,\mathrm{nm}\),\(L_c\approx5\,\mathrm{mm}\);移动反射镜 \(0.125\,\mu\mathrm m\) 产生半个相位周期。脚本可切换光强、相干度、相位和光谱宽度,逐帧显示两路振幅、探测器强度与白光相干包络,并数出条纹;它不会模拟真实激光器。

6. 反例与边界:有相位公式不等于有可测条纹

  • 两个独立激光器不自动相干。即使中心频率相同,随机相位漂移也会令时间平均的交叉项趋近零;分束同一光源是共模相位稳定的工程选择。
  • 强度平衡只影响上限。\(I_1\neq I_2\) 时最大可见度已经小于 1;增加总功率不能绕过不平衡、偏振正交或光程超出 \(L_c\)。
  • 低相干不是失败。白光条纹只在光程匹配的窄包络内出现,正因为包络短才给出绝对位置;激光长相干长度适合相对位移,但可能有周期歧义。
  • 条纹计数仍需标定。振动、空气折射率、偏振泄漏和相位展开错误都可能把条纹数变成错误距离;干涉仪的灵敏度不替代实验控制。

7. 迁移题:为测量目标选择相干性

若要测量透明薄膜的绝对厚度、长行程台的相对位移和 OCT 的深度反射,分别选白光、稳频激光还是低相干 SLD?请为每种选择写出所需的 \(L_c\)、条纹歧义处理和探测器读出,并指出何时应牺牲可见度换取绝对定位。

Michelson interferometer and coherence envelope

图 3-1 迈克尔逊干涉仪把一束光分成参考臂与样品臂,再在探测器处合束;光程差改变相位,探测器便把相位差读成强度条纹。长相干长度的激光在较大光程差下仍有条纹,而白光的短相干长度只在光程近似相等时出现条纹包络,这就是低相干测绝对位置的物理基础。

一、干涉的条件

两束光叠加:

\[I = I_1 + I_2 + 2\sqrt{I_1I_2}\,|\gamma|\cos\Delta\varphi\]

关键在第三项——它携带相位信息,也决定条纹的可见度:

\[V = \frac{I_{\max}-I_{\min}}{I_{\max}+I_{\min}}\]

产生稳定干涉需要:频率相同、相位差稳定、偏振不正交、光程差在相干长度内。

注意"相位差稳定":两个独立的激光器难以稳定干涉,因为它们的相位各自随机漂移。所以干涉仪几乎总是把一束光分成两束——这样相位噪声共模抵消。

二、相干性:一个工程量

这是本页最重要的概念。 相干性不是"有或没有",而是一个可以量化、可以设计的量。

时间相干性(决定能承受多大光程差):

\[L_c = \frac{c}{\Delta\nu} \approx \frac{\lambda^2}{\Delta\lambda}\]
光源 相干长度 用途
白光(LED) 几 μm 白光干涉:绝对定位、表面形貌
低相干 SLD 几十 μm OCT 断层成像(第十七页)
多模激光二极管 毫米–厘米 一般测量
单频激光(稳频) 米–千米以上 长程干涉测量、引力波探测

空间相干性(决定光源可以多大):由光源尺寸与距离决定,用 van Cittert–Zernike 定理描述。这直接关系到能否做出清晰的干涉条纹与衍射图样。

一个反直觉但极重要的工程事实:低相干不是缺点,而是一种资源。

"选择合适的相干长度"是光学系统设计的一项主动决策,而非被动接受。

三、干涉仪:光学计量的核心

迈克尔逊/泰曼-格林:分束、两臂、合束。移动一臂,每移动 \(\lambda/2\) 产生一个条纹周期。

这就是"用波长做尺子":可见光 \(\lambda\approx0.5\) μm → 条纹计数的分辨率就是亚微米,配合细分可达纳米级。

主要应用:

其他重要形式:

四、薄膜光学:无处不在的干涉

多层介质膜利用干涉控制反射与透射,是现代光学的隐形基础设施:

设计方法:特征矩阵法(每层一个 \(2\times2\) 矩阵连乘——与第一页的光线矩阵、机械站的传递矩阵是同一种数学结构),再用优化算法确定各层厚度。

五、全息与干涉的信息记录

全息术(Gabor,诺奖):用参考光与物光干涉,把相位信息编码为强度条纹记录下来;再照明时衍射重建波前。

核心思想极其重要:探测器只能测强度,不能测相位(第九页会再强调)。干涉是把相位"翻译"成强度的通用手段——全息、干涉测量、相位恢复、光学相干层析、相干光通信(第十三页),全都建立在这一个思想上。

现代形式:

六、要点


下一页:衍射。它给出几何光学永远给不出的东西——分辨率的物理极限;而傅里叶光学则揭示了一个惊人的事实:一枚透镜在做傅里叶变换。