光電子技術課件

光電子技術Photoelectronics

Technique8/27/20231選用教材：《光電子技術基礎》朱京平編著，2009，科學出版社主要參考書目:《光電子技術》梅遂生主編，2008.7，國防工業(yè)出版社；《光電子技術》安毓英等主編，電子工業(yè)出版《光電技術》王慶有主編，2009.3，電子工業(yè)出版社；《激光原理技術及應用》閻吉祥等編，2006.8，北京理工大學出版社。參考教材8/27/20232課程考核要求平時成績20%+課堂練習10％＋期末考試70%=總評100%

本課程考試為閉卷筆試。8/27/20233課程目的與任務

光電子技術是“光子技術”與“電子技術”相結合的產物，是繼微電子技術后興起的一門高新技術，目前已成為信息科學的重要支柱。8/27/20234

本課程著重講解光電子技術的基本概念與基本知識，主要包括激光產生的物理基礎、激光的特性、典型激光器件和激光基本技術、光波導技術與光纖通信等基本應用。目的是進一步加深學生專業(yè)基礎知識的掌握和擴大學生的知識面。8/27/20235教學基本要求

1、光的本性（主要包括光是一種橫波，光的偏振特性和相干特性，光子簡并度等概念與公式描述）；2、激光產生的基本原理（主要包括激光器的基本結構、激光產生的基本條件、粒子數(shù)反轉過程、光學諧振腔、激光的特性）；3、典型激光器（主要包括激光器的分類、各類激光器的特點）4、激光基本技術（光調制技術、晶體的電光效應、晶體的聲光效應、調Q技術、鎖模技術、穩(wěn)頻技術）；5、光纖和光纜（光纖的結構和分類、光纖的傳光原理、光纖的傳輸特性）6、光纖通信（光纖通信的中繼傳輸、數(shù)字光纖通信、光源與光纖的耦合）8/27/20236學時安排章節(jié)主要內容學時安排1光電子技術緒論12光的本性33激光產生的基本原理9.54典型激光器55激光基本技術166光纖和光纜97光電子技術的其它應用4.58/27/20237緒論光子技術與電子技術相結合的光電子技術:主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術。8/27/20238

光學與電學表面看起來是兩個獨立的學科，實際上存在著非常密切的內在聯(lián)系。光與電打交道的第一個回合是1860年前后麥克斯韋提出的光的電磁波動理論，第二個回合是1905年愛因斯坦用量子論解釋光電效應，第三個回合是1960年激光的發(fā)明。電子學在20世紀作出了巨大的貢獻，但由于電子自身的帶電屬性，使其進一步發(fā)展在速度和容量上都受到限制，而光子為中性，具有巨大的優(yōu)越性。8/27/20239

光電技術的特征：光源激光化、傳輸波導化、手段電子化、電子學中的理論模式和處理方法光學化

光電技術與微電子技術共同構成了信息技術的兩大重要支柱。8/27/202310光電子技術發(fā)展史年代60年代70年代80年代90年代技術成就激光器的問世低損耗光纖的實現(xiàn)、半導體激光器的成熟超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)光纖無源和有源器件的出現(xiàn)相關應用為光與物質相互作用的研究提供了一個極其有效的工具導致以光纖通信、光纖傳感為代表的光信息技術蓬勃發(fā)展導致半導體雙穩(wěn)態(tài)器件的發(fā)展為光纖通信產業(yè)的發(fā)展提供了網(wǎng)絡物理層的基礎8/27/202311集電磁波場與物質中的電子相互作用以及能量相互轉換的學科，也可以理解為“利用光的電子學”的新的綜合性交叉學科便從現(xiàn)代信息科學領域中脫穎而出，這就是光電子學。8/27/202312

光電子技術是研究從紅外、可見光、紫外光、X射線直至

射線波段范圍內的光波電子技術，是研究運用光子和電子的特性，通過一定媒介實現(xiàn)信息與能量轉換、傳遞、處理及應用的學科。8/27/202313它是以光電子學為理論基礎，以光電子元器件為主體，綜合利用光、電、機、計算機和材料技術，以實現(xiàn)具有一定功能而且實用的儀器、設備和系統(tǒng)的技術。8/27/202314同傳統(tǒng)電子技術相比，光電子技術最根本的特點是它的波長短，也即頻率高。優(yōu)點：角分辨力高距離分辨力高頻帶寬、通信容量大光譜分辨力高非線性光學效應強（當光波的電場強度可以同物質中束縛電子的庫侖場相比較時，可觀察到物質與強相干光相互作用的一系列新的光學現(xiàn)象，統(tǒng)稱為非線性光學現(xiàn)象）8/27/202315信息光電子技術與器件光電子器件光源器件光傳輸器件光控制器件光探測器件光存儲器件光盤調制器偏轉器光開關光雙穩(wěn)器件光電導型光伏型熱伏型各種傳感器相干光源非相干光源光學元件光纖8/27/2023168/27/202317

光電子技術涉及的主要內容包括：1激光技術及其相關的應用技術—光子產生、控制2波導技術—光子傳輸3光子檢測技術—光子探測和光譜分析4光計算與信息處理技術（光神經(jīng)網(wǎng)絡、激光雷達、光制導、光陀螺）5光存儲技術6光子顯示技術7光子加工與光子生物技術-光子物質相互作用8/27/202318光電子技術應用光纖通信、傳輸光信息處理分光分析光應用計算光空間傳輸長距離、大容量、寬帶數(shù)字通信模擬通信局域網(wǎng)通信太陽光的光纖照明光盤存儲器、全息照相存儲器光視頻盤、光音頻盤二維信息處理匹配濾波器信息處理器、激光打印機、傳真機光計算機短距離簡單圖象通信光遙感、光開關光在線檢測激光雷達、激光陀螺、激光傳感光纖傳感系統(tǒng)精密測量、全息測量、在線測量同步激光超精密分光分析大氣污染氣體分析、醫(yī)用氣體分析同位素濃度測定、同位素分析激光診斷微等離子體超快過程分析8/27/202319光纖通訊技術光導纖維：簡稱“光纖”，是一種能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的玻璃纖維。8/27/202320光電子技術的發(fā)展趨勢，應該是同微電子學技術相結合，進行光電結合的信息傳輸與處理。8/27/202321光電成像技術：利用從軟X射線到亞毫米波段之間具有光學共性的電磁波段，研究以成像方式實現(xiàn)輻射信息探測、傳輸、處理與顯示的新理論、新技術、新方法和新裝置。8/27/202322X-ray紅外偏振成像的信噪比提高了30倍

光電成像技術發(fā)展要求：探測手段－－高分辨，高靈敏，高速。表征形式－－彩色，立體。信息組成－－光譜，幅度，相位，偏振，全息等。發(fā)展重點：

人類視覺范圍以外的信息的成像探測。滿足信息感知和信息可視化8/27/202323電子學組件探測器顯示設備校正與處理紅外探測器是高離散性和高缺陷率成像器件，必須通過成像電子學組件的校正、補償和處理才能完成成像。紅外成像電子學組件的優(yōu)劣對探測器性能的充分發(fā)揮起著至關重要的作用，對高性能紅外電子學組件關鍵技術的研究已成為世界軍事強國的熱點。8/27/2023248/27/20237:59PM校正增強8/27/202325從圖中看出，自主研發(fā)的DDE技術可以極大地提高紅外熱像儀的圖像質量。未采用數(shù)字細節(jié)增強（DDE）成像效果采用數(shù)字細節(jié)增強（DDE）成像效果8/27/2023268/27/20237:59PM紅外光學機構探測器紅外圖像預處理非均勻性校正圖像增強處理顯控與人機界面紅外熱像儀整機成像電子學組件核心算法當前，紅外熱像儀的時間穩(wěn)定和溫漂的控制、免維護和免開箱檢測以及智能化對紅外成像電子學組件提出了更高的要求，在探測器和硬件電路系統(tǒng)達到一定水平的基礎上，核心軟件將是關鍵。8/27/202327*二種方式：電荷倍增CCD（可控電荷雪崩模式）APD光子計數(shù)成像（蓋革模式）

把雪崩效應引入到光電成像系統(tǒng)中，利用碰撞電離效應實現(xiàn)微弱信號的零噪聲放大增強。

真空

全固態(tài)研究方向和內容----1.超高靈敏度光電成像技術8/27/202328*成像原理：光子計數(shù)成像技術采用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管（APD）陣列作為光電感應像元，光子經(jīng)物鏡入射到APD陣列的“像素”單元上，引起APD雪崩，APD產生的雪崩電流被高速驅動控制電路在門控時間內記錄并輸出。每一個門控周期內，不同像元的輸出結果構成一個由0和1組成的離散的、沒有灰度等級的二維數(shù)字矩陣。在一定時間內對多次門控周期產生的數(shù)字矩陣進行時間相關、反演、增強和降噪處理后得到信息量豐富的高灰度等級的圖像。研究方向和內容----1.超高靈敏度光電成像技術8/27/202329*超高探測靈敏度對波長為555nm的光子流進行模擬分析，探測靈敏度進行計算得到結果如下：

取k(555)=683lm/w,d=70mm，有：

n=1時，E=5.6×10-8lux；

n=5時，E=2.8×10-7lux；

n=10時，E=5.6×10-7lux。

可以看出，APD陣列具有超高的靈敏度，最高能夠實現(xiàn)5.6×10-8lux照度下目標的探測和成像。研究方向和內容----1.超高靈敏度光電成像技術8/27/202330*通過研究光子計數(shù)頻率與能量的反演機制、光子圖像的恢復與處理、主被動復合成像與顯示技術等核心內容，解決高靈敏度單光子探測、基于數(shù)字微鏡高分辨率采樣、光子圖像的反演與恢復、動態(tài)范圍擴展以及主被動工作方式等關鍵技術，揭示了光子計數(shù)成像探測的核心機制。研究方向和內容----1.超高靈敏度光電成像技術8/27/202331*電子學組件探測器顯示設備校正、補償與處理紅外探測器是高離散性和高缺陷率成像器件，必須通過成像電子學組件的校正、補償和處理才能完成成像。紅外成像電子學組件的優(yōu)劣對探測器性能的充分發(fā)揮起著至關重要的作用，對高性能紅外電子學組件關鍵技術的研究已成為世界軍事強國的熱點。研究方向和內容----2.高分辨率紅外熱成像技術8/27/202332*

該算法將基于場景非均勻性校正的收斂速度從要幾百幀縮減到十幀，非常適合于紅外搜跟系統(tǒng)?？焖偈諗康幕趫鼍靶Ｕ夹g圖像對比

研究方向和內容----2.高分辨率紅外熱成像技術8/27/202333*

針對紅外熱成像熱輻射特性所造成的紅外圖像細節(jié)模糊等固有缺陷，提出并實現(xiàn)了系列紅外圖像處理新算法，構成了具有自主知識產權的數(shù)字細節(jié)增強（DDE）的核心技術。打破了世界少數(shù)國家對該技術的壟斷和封鎖。無DDE有DDE研究方向和內容----2.高分辨率紅外熱成像技術8/27/202334*從圖中看出，自主研發(fā)的DDE技術可以極大地提高紅外熱像儀的圖像質量。未采用數(shù)字細節(jié)增強（DDE）成像效果采用數(shù)字細節(jié)增強（DDE）成像效果8/27/202335紅外熱斷層掃描成像技術：主要是通過紅外熱像儀被動地接收人體的紅外輻射信號，獲得人體皮表溫度的紅外分布圖像，進而推知體內熱源信息，為腫瘤等疾病診斷提供一種新的方法。

研究方向和內容----3.新型生物醫(yī)學成像技術

8/27/202336*

紅外弱小目標遠距離探測：盡可能提高紅外弱小目標的探測距離，爭取在最有利時機已成為了各國研究人員都非常關注的問題。

低空、超低空復雜背景的抑制：紅外弱小目標遭受地物雜波和背景影響更大，探測難度也就會隨之增大。

紅外弱小目標的可靠識別：紅外弱小目標已沒有明確的形狀信息可言，具有強噪聲的紅外背景中的目標可靠識別和精確跟蹤變得更加的困難。降低虛警率，是紅外搜跟系統(tǒng)實用的關鍵。研究方向和內容----4.光電圖像應用技術8/27/202337*紅外光學機構探測器紅外圖像預處理目標點跡一次處理目標點跡二次處理顯控與人機界面控制與接口各種空間坐標傳感器低噪聲驅動放大電路核心算法移動目標、多目標；可靠探測、精確跟蹤；實時性、智能化。

紅外熱像儀在旋轉掃描狀態(tài)下的目標探測與識別是一大技術難點。研究方向和內容----4.光電圖像應用技術8/27/202338紅外搜索系統(tǒng)圖像序列的搜索地面目標關鍵幀研究方向和內容----4.光電圖像應用技術8/27/202339研究方向和內容----4.光電圖像應用技術行進間目標探測效果圖8/27/202340研究方向和內容----4.光電圖像應用技術(a)–(c)遮擋情況下我們的跟蹤技術跟蹤效果,(d)–(f)遮擋情況下常規(guī)跟蹤技術跟蹤效果

同時跟蹤兩架直升機8/27/202341研究方向和內容----4.光電圖像應用技術多傳感器信息融合技術

8/27/202342*突破了高速、大容量和自適應等實時圖像處理的關鍵技術，實現(xiàn)了DDE核心算法的實時處理，研制出帶有DDE功能的紅外成像電子學組件。該組件在非均勻性校正、動態(tài)范圍、圖像細節(jié)和噪聲特性等方面已達到國外同類產品先進水平。640×512國產焦平面探測器熱成像8/27/202343640x480Uncooled<85mK@f1.6<1.5WPower125g非制冷熱像儀*448/27/202344第一章光的本性（1）幾何光學時期：反射、折射定律以及干涉、衍射現(xiàn)象均為這一階段所發(fā)現(xiàn)，期間以牛頓為首提出的微粒說和惠更斯為首提出的波動說作為對立的兩種學說并存

（2）波動光學時期：十九世紀，楊氏利用雙縫干涉實驗成功測定了光的波長，后來菲涅耳由此補充了惠更斯原理即惠更斯--菲涅耳原理，不僅圓滿解釋光在均勻的各向同性介質中的直線傳播，而且能解釋光通過障礙物時的衍射現(xiàn)象

8/27/202345（3）量子光學時期：1900年普朗克提出輻射量子論，認為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子是不連續(xù)的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數(shù)的整數(shù)倍，即E=hν至此，人們通過光的衍射、干涉等光學現(xiàn)象證實了光的波動性，而又從黑體輻射、光電效應和康普頓效應等證實了光的粒子性，從而提出了光具有波粒二像性

8/27/202346（4）現(xiàn)代光學時期：從本世紀六十年代起，特別是激光問世以后，由于光學與許多科學技術領域緊密結合、相互滲透，一度沉寂的光學又煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度向前發(fā)展，已成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術的一塊重要前沿陣地，同時又派生出了許多嶄新的分支學科

8/27/202347現(xiàn)代光學①激光光學：激光物理、激光技術、激光應用等。②全息光學：光學全息與信息處理等。

③晶體光學：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應等。

④集成光學：集成光路理論及制造等。8/27/202348

⑤傅立葉光學：光學傅立葉分析、傅立葉變換等。

⑥激光光譜學：物質微觀結構及分子運動規(guī)

律的分析等。⑦非線性光學：光學介質及強光的相互作用。瞬態(tài)光學、光纖通信、光信息存儲、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……8/27/202349光的波粒二象性波動性：傳播過程具有頻率、波長、偏振粒子性：光與物質相互作用具有能量、動量、運動質量光波是電磁波振動的電場；振動的磁場光與大多數(shù)探測器作用時，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量l8/27/202350宇宙射線

射線X射線紫外線可見光紅外線微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波無線電波電磁波譜§1.1光的波動性

8/27/202351電磁波譜頻率與波長的關系:----真空中的光速8/27/202352光速、頻率和波長三者的關系(1)波長:振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內向前傳播的距離。(2)光速(3)頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)(4)三者的關系在真空中

各種介質中傳播時，保持其原有頻率不變，而速度各不相同

8/27/202353頻段（波長）劃分

頻率范圍 名稱 典型應用(kHz)3–30甚低頻(VLF)遠程導航、水下通信 (10-100km) 聲納30–300 低頻(LF) 導航、水下通信 (1-10km) 無線電信標300–3000中頻(MF)廣播、海事通信、 (100-1000m) 測向、遇險求救、 海岸警衛(wèi)8/27/202354

頻率范圍 名稱 典型應用(MHz)3–30高頻(HF) 遠程廣播、電報、電話、飛機 (10-100m) 與船只間通信、船－岸通信 業(yè)余無線電30–300 甚高頻(VHF)電視、調頻廣播、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車、 警察、導航、飛機通信300–3000特高頻(UHF)電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、 (分米波） 無線電探空儀、導航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達、無線電高度計頻段（波長）劃分8/27/202355

頻率范圍 名稱 典型應用(GHz)

3–30超高頻(HF) 衛(wèi)星通信、無線電高度計、（厘米波）微波鏈路、機載雷達、氣象 雷達、公用陸地移動通信

30–300 極高頻(VHF)鐵路業(yè)務、雷達著陸系統(tǒng)、（毫米波）實驗用300–3000亞毫米波實驗用 （0.1–1mm）頻段（波長）劃分8/27/202356

頻率范圍 名稱 典型應用(THz)43–430 紅外線光通信系統(tǒng) (7–0.7

m)430–750可見光 光通信系統(tǒng) (0.7–0.4

m)750–3000 紫外線 光通信系統(tǒng) (0.4–0.1

m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,

m=10-6m頻段（波長）劃分8/27/2023574000?紫7600?紅光學輻射是波長10nm～1mm之間的電磁輻射?？梢姽馐悄芤鹑说囊曈X的那部分電磁波。發(fā)射光波的物體稱為光源?？梢姽獾牟ㄩL范圍約為400～760nm400——450——500——550——600——650——760nm紫藍綠黃橙紅結論：光是某一波段的電磁波8/27/202358光波的傳播過程EBk8/27/202359因而，光波是一種橫波。且光波中起光作用的是電場矢量，所以電場矢量又稱之為光矢量。8/27/202360機械橫波與縱波的區(qū)別:只有狹縫的取向與橫波的振動方向一致，橫波才能通過，而對縱波沒有影響。機械波穿過狹縫定義：振動方向對于傳播方向的不對稱性稱為偏振性。說明：只有橫波才具有偏振現(xiàn)象，偏振現(xiàn)象是橫波區(qū)別于縱波的最明顯的特征。光的偏振特性（橫波特有的屬性）

8/27/202361光的偏振現(xiàn)象：光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象。

8/27/202362形象說明偏振片的原理通光方向腰橫別扁擔進不了城門8/27/202363線偏振光（偏振光/完全偏振光/平面偏振光）E播傳方向振動面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解EEyEx

yx

·面對光的傳播方向看定義：光振動只沿某一固定方向的光.8/27/202364符號表示振動面8/27/202365自然光（非偏振光）

定義：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個方向的光矢量，并在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對稱）這樣的光叫自然光.

自然光以兩互相垂直的互為獨立的（無確定的相位關系）振幅相等的光振動表示,并各具有一半的振動能量.符號表示沒有優(yōu)勢方向自然光的分解8/27/2023668/27/202367普通光源是光的自發(fā)輻射。特點：多波長、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內.8/27/202368部分偏振光振動各個方向都有，但是方向的振幅大小不同?？梢钥醋魇瞧窆馀c自然光的混合。定義：某一方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光.符號表示8/27/202369橢圓偏振光和圓偏振光圓偏振光線偏光橢圓偏振光在迎光矢量圖上，光矢量端點沿逆時針方向旋轉的稱為左旋偏振光；沿順時針方向旋轉的稱為右旋偏振光。定義：光矢量末端的運動軌跡是橢圓或圓。8/27/202370偏振度1、定義：2、波的偏振度非偏振波：P=0，偏振度最??；線偏振波（完全偏振波，p態(tài)波）：P=1，偏振度最大；部分偏振波：0<P<1。8/27/202371光源1.

光源及光致物質冷光源：利用化學能、電能或光能激發(fā)；熱光源：利用熱能激發(fā)；磷光物質：光源移去后仍能發(fā)光；熒光物質：光源移去后，停止發(fā)光。2.普通光源的發(fā)光機理（非激光光源）處于激發(fā)態(tài)的原子（或分子）的自發(fā)輻射原子發(fā)射的光波是一段頻率一定、振動方向一定、有限長的光波（通常稱為光波列）8/27/202372

=(E2-E1)/hE1E2能級躍遷輻射波列波列長L=

c普通光源中，各個原子的激發(fā)和輻射參差不齊，是一種隨機過程獨立(不同原子發(fā)的光)·獨立(同一原子先后發(fā)的光)8/27/202373單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長范圍，在此范圍內，各種頻率（或波長）所對應的強度是不同的。波長所對應的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍譜線寬度是標志譜線單色性好壞的物理量8/27/202374相干光

光的非相干疊加其中所以或

1

2

E0E10E208/27/202375

相干光的條件綜上所述：我們把能產生相干疊加的兩束光稱為相干光，相干疊加必須滿足振動頻率相同，振動方向相同，相位差恒定的條件。干涉相長干涉相消若8/27/202376光波的干涉特性

當具有相同頻率和振動方向、具有相同相位或固定相位差的光波相遇時，在相遇的區(qū)域內產生干涉現(xiàn)象。光波的干涉可以這樣來描述：兩列光波在空間相遇，疊加波形成有規(guī)律的光強分布的現(xiàn)象。

8/27/202377楊氏雙縫干涉實驗p）8/27/202378楊氏雙縫實驗裝置原理8/27/202379光的衍射現(xiàn)象

光在傳播時會繞過障礙物，或者在障礙物后的幾何陰影區(qū)光波的強度會有起伏，這便是光的衍射現(xiàn)象至于為什么在平時日常生活中少見衍射現(xiàn)象，這是因為只有當障礙物尺寸同光波長相近時，才會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。

8/27/202380單縫衍射圖樣：明暗相間且不等距條紋（中央亮紋）8/27/202381§1.2電磁波譜光波是電磁波，x射線、γ射線也是電磁波，只是它們的頻率波長范圍相差很大。如果將它們按照頻率或波長的次序排列成譜的形狀，則稱其為電磁波譜。通常所說的光學區(qū)域包括紫外、可見光、紅外，可見光的波長范圍是390納米到760納米這一很窄的范圍以內，對應的頻率是7.5×1014～4.1×1014Hz。8/27/202382根據(jù)麥克斯韋理論，電磁波在真空中的傳播速度，c只和真空中的介電常數(shù)ε0和磁導率μ0有關，是一個普適常數(shù)，在實驗誤差范圍以內，這個常數(shù)c與已測的光速相等，于是麥克斯韋得出這樣一個結論：光是某一波段的電磁波，c就是光在真空中的傳播速度。

真空中的光速8/27/202383在介質中電磁波的傳播速度v為真空中c的倍式中εr為介質的介電常數(shù)，μr為相對磁導率，另外光在透明介質里的傳播速度v小于真空中的速度c。c與v的比值是該透明介質的折射率，即n=c/v

8/27/202384相干光波：頻率相同、振動方向一致、相位差恒定的兩束光波。相干性相干長度：沿傳播方向的相干長度。相干面積：垂直于光傳播方向截面上的相干面積。相干體積：空間體積內各點的光波場都具有明顯的相干性，則為相干體積?！?.3光的相干性8/27/2023851．時間相干性:波場中同一點不同時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。

光源時間相干性的好壞決定于其單色性，因為光源的單色程度決定干涉條紋的最大光程差，即所說的相干長度。

：兩列波能發(fā)生干涉的最大光程差，也就是波列長度。越大，相干性越好光學中，原子發(fā)光的持續(xù)時間，稱為相干時間，相應波列的長度L稱為相干長度8/27/202386p）干涉的必要條件：兩列波在相遇點的光程差應小于波列的長度。8/27/202387波列長度與光源譜線寬度成反比，即光源的單色性好，光源的譜線寬度就小，波列長度就長。單色性越好，相干性就越好8/27/202388相干長度：單色性越好，相干長度越長普通光源——幾厘米激光可達——105千米8/27/202389衡量光波場時間相干性的好壞的是的長度。稱為相干時間，它是光通過相干長度所需要的時間。

8/27/202390描述時間相干性的等效物理量：①相干時間：②相干長度：③譜線寬度：8/27/2023912．空間相干性:波場中不同點在同一時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。實際上，光源總是有一定寬度的，我們可以把它看成是很多線光源構成的，這些間隔很小的線光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花樣，這些干涉花樣的非相干疊加，使總的干涉花樣模糊不清，甚至會使干涉條紋的可見度降為零。8/27/202392實驗表明，在雙縫屏上存在一個以O點為對稱中心的面積Ac，只要s1和s2在Ac之外，就不能產生干涉現(xiàn)象，或者說干涉條紋的可見度為零。這一面積叫做相干面積Ac。Ac愈大，則該光的空間相干性愈好。

aΔθ≤λ

物理意義:光源的線度不能大于!8/27/202393

稱為臨界寬度。當光源的線度大于或等于該臨界寬度時，干涉條紋的可見度為零。

Δθ是兩縫間距對光源的張角，可以看出，光源愈小，則允許具有空間相干性的張角Δθ愈大。若雙縫之間的距離等于或大于時，觀察不到干涉條紋。8/27/202394說明：r0、固定時，越大，則相干面積Ac越小。則相干面積為：則光源面積為：物理意義：要使傳播方向（波矢）限于張角的光波具有明顯的相干性，則光源面積必須小于，此即為光源的相干面積。8/27/202395物理意義:要使傳播方向限于以內并有頻帶寬度的光波明顯相干，則光源的體積應限制在以內。屬于同一光子態(tài)的光子是相干的，應包含在相干體積內，相格空間體積等于光源的相干體積。則光源的相干體積滿足：在相干體積內的光子具有相同的狀態(tài)，即處于同一光子態(tài)，屬于同一光子態(tài)的光子是相干的。8/27/202396結論相格空間體積