相干光的通俗解读

作为一名专门研究相干光通信的人，我曾在研一的时候问过师兄一个问题：“师兄，我以前没接触过光纤通信，我应该补充些什么知识，学习些什么内容呢？师兄什么叫相干光啊？”

师兄说：“你多看看就知道了。”

后来，我终于知道了什么是相干光，我回想起来，其实当时师兄也是因为说不上来确切的描述，才敷衍我多看看的吧O(∩_∩)O

首先，相干光不等价于激光。但是我们用的相干光一般都是激光。解一下什么是激光，就能知道何为相干了。

激光的特性

激光是一种特殊的光，它与我们普通接触的太阳光、灯泡、发光二极管的区别在于，他有四个特点：高方向性、单色性、高亮性、相干性。

这里有一个激光切割的例子，如果切割机上面装的不是激光器，而是一个灯泡。那下面这块铁板会被照亮一大片吧。这就是高方向性。

同样是这张图片，红色的激光，表明了他的单色性。太阳光是白光，因为它其中包含了所有颜色的光，不同的颜色实际上是不同的波长决定的。也就是说，激光器发出的光，集中在某一固定频率周围，而且这个带宽比红色的发光二极管的带宽要窄的多。

高亮性顾名思义，激光能够亮瞎你的狗眼。它的单位光功率极高，高到可以射透钢板。你想象一下，你拿着一个手电筒，想要照穿一块钢板…

相干性

光，也是一种电磁波。任何的电磁波都可以看作是正弦波的叠加。相干意味着各个子载波之间有确定的相位关系，如果两个正弦波满足3个条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定，那么他们就是相干的。

所谓相干，就是他们有密切的关系，我知道了其中一个人在某个时刻某个位置的状态（如相位），我就能知道其他人的在所有时刻所有位置状态。

很好理解，回顾相干的三个条件。因为甲乙的相位差是恒定的，他们都是相同频率、相同振动方向的正弦波。我知道了甲在某个位置某个时刻的相位，我就理所应当的按照甲的正弦波表达式推出了甲在其他位置、其他时刻的相位是多少。顺延那个相位差之后，我就得到了乙的相位。这，就是相干。

而太阳光、电灯发出的光，他们都是非相干光。不具有相干的性质。可以想象，太阳上有无数个发光点。每个发光点都发出一个光子。每一光子（电磁波）在发出时刻的相位都是随机的。因此，就没有恒定的相位差。即使我们知道了其中一光子的状态，也无法推到出另一光子的状态。也就是说，太阳光之间没有那么亲密的关系。

激光是一种相干光，激光中每个一光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同。

记住：所谓相干光，就是你如果知道了光场中任意时间任意位置的一个状态，那你就能通过计算，知道整个光场任意时间任意位置的状态。

时间相干性

时间相干性描述沿光束传播方向上各点的相位关系。就是指你知道空间中一点，在某一时刻的状态，那你就能知道其他时刻的状态。时间相干性通常用相干时间$t_c$来定量描述。其实相干并没有那么逆天，它并不是全图技能，我知道一点的状态，其实只能算出它周围一个范围内的状态。 而$t_c$就是用来圈定这个范围的。

$t_c$描述了这样一件事。我知道某时刻的状态后，于这个时刻间隔不超过$t_c$的时间内的状态，我是能够算出来的。范围之外，我就算不出了。即，有相干性的最大时间间隔。

影响相干时间的因素是光源的单色性。单色性越高，相干时间越长。

有时也用相干长度$$L_c=t_c\cdot c$$来表示相干时间。也就是知道了某个点的状态后，经过相干时间$t_c$这个点传播了多远。即，光传播方向上两个不同点处的光波长具有相干性的最大空间间隔。(一定思考清楚这一点，这里涉及了空间概念，但万万不是空间相干性。时间相干性只描述传播方向上这个一维空间中的相干性。如图所示)

空间相干性

空间相干性描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的相位关系，指的是一个二维平面上的相干性。某一时刻，找到空间中一个点的状态，能计算出多大一块区域的状态？就用相干面积$$S=(\frac{\Delta \lambda }{\theta }{)}^2$$来描述。
空间相干性于光束的高方向性有关，方向性越好，空间相干性也越好。

其实将时间相干性、空间相干性，修改为传播方向相干性、垂直传播方向相干性，更容易理解其含义。这只是个小插曲，完全没必要区分二者，我们只知道相干性这个总体的概念就好了。