相干性與全息術

在波動光學領域中，有兩個令人著迷且相互關聯的概念即是相干性和全息術。這些主題不僅幫助我們理解光作為一種波動現象，還具有實際應用，這些應用已經顛覆了攝影、成像和數據存儲。在這節課中，我們將探討相干性和全息術背後的基本原理，使用簡單的語言和視覺輔助手段來解開這些複雜的概念。

理解相干性

相干性是指在不同空間和時間點之間的光波相位的相關程度。它是光波展示干涉現象的能力的度量，波在此過程中重疊形成振幅更大、更小或相同的合成波。

相干性的類型

相干性主要分為兩種類型：空間相干性和時間相干性。

空間相干性

空間相干性描述了波在垂直於波傳播方向的不同空間點之間的相關性。簡而言之，它表示一個平面波如何良好地近似於光束上的一個點。

對於完美的空間對稱性，光從一個點光源發出，將在空間中的每個點顯示出完美的頻率和相位的相干性。數學上，空間對稱性可以表示如下。

I(x) = E_0^2 cos^2(kx)

下面的圖表演示了空間相干性的概念：

在此，點 A 和點 B 的波同步，表明空間相干性。

時間相干性

時間相干性考慮波在不同時間的相位與自身的相關性。它代表了波隨時間的可預測性，並且與單色光的概念密切相關。

高水平的時間相干性意味著光源在很長一段時間內以單一且不變的頻率發出波。這對於干涉測量和全息術等應用非常重要。

時間相干性的數學表達式可以如下表示：

 = frac{1}{Delta f}

其中 τ 是相干時間，Δf 是光源的帶寬。

全息術簡介

全息術是一種記錄和重建由物體散射的光場的技術，創造出三維圖像。它比傳統攝影更進一步，因為傳統攝影僅捕捉光的振幅，而不捕捉其相位。

全息過程

全息圖錄製

全息術涉及兩個光波的干涉：參考波和物體波。一個相干光源，如激光，被分成兩束光。一束光照亮物體，而另一束作為參考。

光束的重疊創造了干涉圖樣，此圖樣通常記錄在感光板上。這一圖樣編碼了物體波的振幅和相位信息。

圖像的重建

為了重建圖像，將參考光束照射到記錄的干涉圖樣上。這一交互重現了原始光場，就像物體存在一樣，讓觀看者能夠看到3D圖像。

全息術的應用

全息術在藝術、數據存儲、顯微鏡學和計量學等領域有著多樣的應用。它為各行各業提供了創新的解決方案。