部分相干光源的空间相干性测量与分析

部分相干光源的空间相干性测量与分析

部分相干光源，它与激光一样具有良好的方向性，高的亮度，但是从总体来说几乎是空间完全非相干的。这样的光源具有独特的优点，没有散斑噪声，具有非常好的传输特性，能有效的克服大气湍流带来的光强扰动的影响，广泛的用于成像、照明、指示和大气通讯等领域。

1 实验原理

部分相干光的最主要的特征在于空间上的部分相干性，即光屏上两个点之间距离越大，相干性越 小。如对于部分相干的 Collet-Wolf 光源，相干性 g (ρ) 与两点间距离 ρ 之间满足：

易看出标准差 σg 就是它的相干性衰减的一个尺度，超过这个尺度相干性迅速衰减。对于其他的部分相干光，迅速衰减的特性与之类似。

图 1部分相干光源

在迈克尔逊干涉仪中，一束入射光分为两束，经反射后进行干涉。通过调节两束干涉光的光程和 反射时的倾角来得到不同的干涉图样。本实验在它的基础上作了如图1所示的修改：

图 2 部分相干光相干性测量光路

1. 将单纯的激光光源换为由激光和旋转毛玻璃组合成的部分相干光源。

2. 为了观察到其部分相干的特性，利用柱透镜对分束后的某一束光进行了竖直方向的反转。

2 实验内容

2.1 实验仪器

图2中每个元件具体参数如下：

• 激光器为波长为 532nm 的半导体激光器

• L 1 为焦距为15mm 的凸透镜

• L 2 为焦距为 50mm 的凸透镜

• G 为毛玻璃及其步进电机

• F 为直径可调的光阑

• M 1 和 M 2 为平面镜

• CL 1 为焦距为 2cm 的水平放置的柱透镜

2.2 实验操作

调整各光学元件，使其共轴，光轴平行于光学平台。调整最下方 的平面镜的位置及倾角，使 CCD 图像上的条纹最粗，这时两个分光路等光程且两平面镜互相垂直。再 调节该平面镜，使两平面镜在水平或竖直方向存在一定的夹角，以获得不同间距的竖直、水平或倾斜 的条纹。加上旋转的毛玻璃，观察实验现象上的差别。

图 3 平行入射时相位差为0和π的模拟结果

图 4倾斜入射时的模拟和实验结果

3 数据处理及其分析

3.1 不同情况下的条纹对比度特性

没有加毛玻璃时，如图5所示，是普通的迈克尔逊干涉图样。

图 5: 没加毛玻璃的光场

加上静止的毛玻璃 如图6所示，能够在散斑内看见一些条纹，且不仅仅局限于对称轴附近。但大体图 样没有改变，因为散斑之间可能有非固定相位差，且落在一个散斑内时对应相干性很好。

图 6加了毛玻璃但是毛玻璃不转

图7翻转后的干涉区域

转动时的对比度中间高两边低 不同于迈氏干涉仪，实验中经过柱透镜与反射镜反转后第一束光与第 二束光互为镜像，如图7所示，两个圆分别代表两束光，而他们之间是互为镜像的，两束光交集中红色 半透明条块所遮盖的区域为两束光间相干性较好的区域。

如图8所示，加了转动的毛玻璃时，只留下了中间的几个条纹 如图9所示，改变转动的毛玻璃的位置，则存在条纹的范围发生了变化。

图 8加了旋转的毛玻璃于焦点处

图 9加了旋转的毛玻璃于远离焦点处

思考题：

毛玻璃位于不同位置时为什么条纹出现区域的范围有变化？