光的相干性是物理光學(xué)中至關(guān)重要的概念，包括時(shí)間相干性和空間相干性，它對(duì)于正確理解光的干涉和衍射現(xiàn)象起著關(guān)鍵作用。然而，光的相干性相對(duì)抽象，在普通物理光學(xué)課程中講解難度較大。

    在光學(xué)教科書(shū)中，通常通過(guò)邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)介紹光的時(shí)間相干性，利用楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)講解光的空間相干性。但邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中往往側(cè)重干涉條紋的形成原理、特征觀察及應(yīng)用，較少涉及相干特性的分析和測(cè)量。實(shí)際上，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)邁克耳孫白光干涉條紋很難調(diào)節(jié)，這主要是因?yàn)榘坠獾南喔尚圆睢Ｄ敲?，白光的相干性究竟差到什么程度？又該如何定量測(cè)量和表征相干性呢？

    為了深入理解這些基本概念和問(wèn)題，中山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化拓展研究。他們采用邁克耳孫干涉光路，搭配光電探測(cè)器和光纖光譜儀，分別測(cè)量時(shí)域和光譜信號(hào)。

    在時(shí)間相干性方面，一定線寬的準(zhǔn)單色光源發(fā)出的光可視為有限長(zhǎng)度的波列。若同一原子發(fā)出的一個(gè)波列分成的各分光束經(jīng)歷不同光程后，光程差在波列長(zhǎng)度范圍內(nèi)，則兩列波可重疊并發(fā)生干涉；若光程差超出波列長(zhǎng)度范圍，則不能發(fā)生干涉。通常用相干長(zhǎng)度\(L_c\)來(lái)表征光的時(shí)間相干性，\(L_c\)與光源中心波長(zhǎng)的平方成正比，與光源線寬成反比。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)壓電陶瓷位移臺(tái)帶動(dòng)掃描鏡移動(dòng)，改變兩臂光程差，掃描得到干涉信號(hào)光強(qiáng)與光程差的關(guān)系曲線，其包絡(luò)線的半高全寬即為光源的相干長(zhǎng)度。

    在空間相干性方面，它描述的是光場(chǎng)中橫向兩點(diǎn)在同一時(shí)刻光振動(dòng)的關(guān)聯(lián)程度，與光源的發(fā)光尺度有關(guān)。發(fā)光尺度越大，相干范圍孔徑角越小。一般用干涉圖樣的對(duì)比度來(lái)描述空間相干的程度。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)小孔光闌限制擴(kuò)展光源的發(fā)光尺度，可減少相干范圍以外光的成分，從而提升干涉條紋的對(duì)比度，提高系統(tǒng)的空間相干性。

    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光源、邁克耳孫干涉光路以及信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)三部分組成。光源部分包括LED白光光源（配有不同帶寬的濾光片）和LD激光光源等；邁克耳孫干涉光路的掃描鏡配有壓電位移臺(tái)；信號(hào)探測(cè)部分包括光纖光譜儀、光電探測(cè)器及數(shù)據(jù)采集卡等。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先借助激光干涉信號(hào)粗調(diào)光路準(zhǔn)直，再切換白光LED，在光纖光譜儀輔助下定位白光干涉等光程點(diǎn)，并對(duì)壓電位移臺(tái)的運(yùn)行速度進(jìn)行標(biāo)定。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)得到了以下結(jié)果：隨著光源的譜寬變窄，相干長(zhǎng)度明顯變大；對(duì)高斯線型光譜，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相干長(zhǎng)度與理論值比較接近，但存在誤差。在空間相干性演示中，利用激光光源，加入毛玻璃擴(kuò)散片后干涉條紋對(duì)比度變差，加入小孔光闌后干涉條紋再次出現(xiàn)并越來(lái)越清晰，對(duì)比度提高；LED白光光源一般認(rèn)為為非相干光源，在相干孔徑角以內(nèi)的光場(chǎng)空間相干，光路準(zhǔn)直不好時(shí)可借助小孔光闌提高系統(tǒng)的空間相干性。

    綜上所述，該實(shí)驗(yàn)基于邁克耳孫干涉儀，對(duì)光的時(shí)間和空間相干特性進(jìn)行了深入研究，有助于學(xué)生深刻理解光的相干性，適用于光學(xué)課程教學(xué)演示和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的拓展研究。