相干性（coherence）是指為了產(chǎn)生顯著的干涉現(xiàn)象，波所需具備的性質(zhì)。更廣義地說，相干性描述波與自己波、波與其它波之間對(duì)于某種內(nèi)秉物理量的關(guān)聯(lián)性質(zhì)。相干性又大致分類為時(shí)間相干性與空間相干性。時(shí)間相干性與波的線寬有關(guān)；而空間相干性則與波源的有限尺寸有關(guān)。
基本介紹
振動(dòng)頻率相同、相差恒定的叫做相干性。
兩個(gè)波彼此相互干涉時(shí)，因?yàn)?a href="/hebeideji/7202813876902215717.html">相位的差異，會(huì)造成建設(shè)性干涉或摧毀性干涉。假若兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差為常數(shù)，則這兩個(gè)波的頻率必定相同，稱這兩個(gè)波“完全相干”。兩個(gè)“完全不相干”的波，例如白熾燈或太陽所發(fā)射出的光波，由于產(chǎn)生的干涉工程圖不穩(wěn)定，無法被明顯地觀察到。在這兩種極端之間，存在著“部分相干”的波。
波與波之間的的相干性可以用相干度（degree of coherence）來衡量。干涉能見度（interference visibility）是波與波之間的干涉圖樣的輻照度對(duì)比，相干度可以從干涉可見度計(jì)算出來。
波源
一般而言，互相不關(guān)聯(lián)的波源無法形成可觀察到的干涉圖樣。例如白熾燈或太陽是由很多互相不關(guān)聯(lián)、持續(xù)生成的微小發(fā)光點(diǎn)所組成，每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)只會(huì)作用一段時(shí)間，發(fā)射出一個(gè)有限長(zhǎng)度的波列，之后，再也不會(huì)發(fā)光，但在其它位置，又會(huì)出現(xiàn)新的發(fā)光點(diǎn)。為了要能拍攝到這類光源所產(chǎn)生的由兩個(gè)波列疊加形成的干涉工程圖，攝影儀器的曝光時(shí)間必須要小于。在舊時(shí)，無法制造出這么高階的攝影儀器，因此從這類光源很難拍攝到干涉圖樣。但是，通過適當(dāng)處理，仍舊可以觀察到這些光源的干涉圖樣。
為了要觀察到這些互相不關(guān)聯(lián)的波源所形成的干涉圖樣，必須從這些波源制造出相干性較高的波。有兩種方法可以達(dá)成這目標(biāo)：
1.第一種方法稱為“波前分割法”。從微小波源發(fā)射出的波，其波前與微小波源之間的距離大致相等。使用具有幾條狹縫的檔板來過濾從微小波源發(fā)射出的波，只要這些狹縫與微小波源之間的距離相等，就可以保證同樣的波前入射于這幾條狹縫。位于波前的每一點(diǎn)都可以視為一個(gè)波源，會(huì)發(fā)射出次波。因此，從這幾條狹縫衍射出來的次波，其相位大致相同。楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)就是借著這方法制成兩束相干性較高的光波，這兩束光波會(huì)在觀察屏產(chǎn)生干涉圖案。
2.第二種方法稱為“波幅分割法”。用半透射、半反射的半鍍銀鏡，可以將光波一分為二，制造出透射波與反射波，這兩束光波非常相似，相干性非常高。假設(shè)這兩束光波的光程長(zhǎng)度不相等，則由于在觀察屏的相位不同，會(huì)產(chǎn)生明顯不同的干涉工程圖。邁克耳孫干涉儀使用的就是這種方法。
自從激光、激微波的發(fā)明以后，物理學(xué)者不再為尋找高相干性的光源這問題而煩惱，激光所制造出來的波列通常能維持 之久。這給予足夠的曝光時(shí)間來拍攝干涉圖樣。
應(yīng)用
以前，只有在學(xué)習(xí)光學(xué)的楊式雙縫實(shí)驗(yàn)時(shí)，才會(huì)接觸到相干性這術(shù)語。現(xiàn)今許多涉及波動(dòng)的領(lǐng)域，像聲學(xué)、電子工程、量子力學(xué)等等，都會(huì)使用到這術(shù)語。許多科技的運(yùn)作都倚賴相干性質(zhì)為基礎(chǔ)。例如，全息攝影術(shù)、音波相位陣列、光學(xué)相干斷層掃描、天文光學(xué)干涉儀 (astronomical optical interferometers) 、與射電望遠(yuǎn)鏡、指紋識(shí)別等等。
相干性與關(guān)聯(lián)性
兩個(gè)波彼此之間的關(guān)聯(lián)導(dǎo)致這兩個(gè)波彼此之間的相干性，又稱互相干性。這關(guān)聯(lián)是由交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)來衡量。交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)衡量從一個(gè)波預(yù)測(cè)另一個(gè)波的能力。
舉例而言，設(shè)想在所有時(shí)間完全關(guān)聯(lián)的兩個(gè)波。在任意時(shí)間，假若一個(gè)波發(fā)生任何變化，則另一個(gè)波也會(huì)做出同樣的變化；假若結(jié)合在一起，在所有時(shí)間，它們都會(huì)展示出完全建設(shè)性干涉或完全摧毀性干涉，則它們是完全相干。如稍后所述，第二個(gè)波不需要是另外一個(gè)實(shí)體，它可能是在不同時(shí)間或不同位置的第一個(gè)波。這案例所涉及的關(guān)聯(lián)稱為“自相干性”；對(duì)于這案例，可以用自關(guān)聯(lián)函數(shù)來衡量自相干性。
兩個(gè)波的相干性，稱為“互相干性”，來自于它們彼此之間的相關(guān)程度，也就是說，它們彼此之間的相似程度。互相關(guān)函數(shù)可以量度互相干性。互相關(guān)函數(shù)可以量度從一個(gè)波預(yù)測(cè)另一個(gè)波的能力。舉例而言，設(shè)想完全同步相關(guān)的兩個(gè)波。在任意時(shí)間，假若一個(gè)波發(fā)生任何變化，則另一個(gè)波也會(huì)做出同樣的變化；讓這兩個(gè)波互相干涉，則在任意時(shí)間，它們都會(huì)展示出完全相同干涉，它們具有完全相干性。互相關(guān)函數(shù)可以用來支持模式識(shí)別系統(tǒng)，例如，指紋識(shí)別。
測(cè)量方法
本圖顯示出，一個(gè)波包的振幅（紅色）與延遲了時(shí)間 的自己波包的振幅（綠色），這兩個(gè)振幅隨著時(shí)間 的演進(jìn)而變化。從本圖可以觀察到，經(jīng)過時(shí)間，波包的振幅有顯著地改變。在任何瞬時(shí)，紅色波包與綠色波包是不關(guān)聯(lián)的；當(dāng)一個(gè)波包在做大幅度振蕩的時(shí)候，另一個(gè)波包卻是非常的平靜。所以，在這里，并沒有干涉效應(yīng)發(fā)生。另外一種看法，波包并沒有重疊于時(shí)間，在任何瞬時(shí)，最多只有一個(gè)波包貢獻(xiàn)震蕩，不會(huì)產(chǎn)生干涉。
思考
輸入波 的波，在輻照度干涉儀輸出點(diǎn)偵測(cè)到的，經(jīng)過時(shí)間平均后的輻照度，以延遲時(shí)間 的函數(shù)形式繪制。假設(shè)將延遲時(shí)間改變半個(gè)周期，則干涉會(huì)從建設(shè)性轉(zhuǎn)換為摧毀性，或從摧毀性轉(zhuǎn)換為建設(shè)性。黑色曲線顯示出干涉包絡(luò)線，這是相干度的曲線。雖然，波有不同的持續(xù)期，它們有同樣的相干時(shí)間。
在光學(xué)里，時(shí)間相干性可以用干涉儀 (interferometer) 來測(cè)量，例如，邁克耳孫干涉儀或馬赫-岑得干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)。干涉儀先將輸入波復(fù)制，延后 時(shí)間，然后將輸入波與復(fù)制波結(jié)合為輸出波，再用輻照度偵測(cè)器來測(cè)量經(jīng)過時(shí)間平均后的輸出波輻照度，得到的數(shù)據(jù)，稍加運(yùn)算，可以求得干涉能見度。這樣，可以知道延遲時(shí)間為 的相干度。對(duì)于大多數(shù)的天然光源，由于相干時(shí)間超短于偵測(cè)器的時(shí)間分辨率，偵測(cè)器自己就可以完成時(shí)間平均工作。
思考圖 (3) 案例，在相干時(shí)間 內(nèi)，波的輻照度顯著地漲落不定。假設(shè)延遲時(shí)間為，則一個(gè)無窮快的偵測(cè)器所測(cè)量出的輻照度也會(huì)顯著地漲落不定。對(duì)于這案例，可以手工計(jì)算輻照度的時(shí)間平均值來求得時(shí)間相干性。
參考資料 >