定义
不同位置或不同时间的电场值之间的固定相位关系。
相干性是光学中最重要的概念之一，与光表现出干涉效应的能力密切相关。 当不同位置或不同时间的电场值之间存在固定的相位关系时，光场称为相干。
部分相干意味着相位值之间存在一些（尽管不完美）相关性。 有多种方法可以量化一致性程度，如下所述。
将某些过程或技术称为连贯或不连贯也是常见的。 在这种情况下，“相干”本质上意味着相位敏感。 例如，相干光束组合的一般方法依赖于光束的相互相干性，而光谱（非相干）光束组合则不依赖于光束的相互相干性。
空间与时间一致性
图1：棱镜插入空间相干激光束中，在屏幕上产生干涉图案。
一致性有两个非常不同的方面：
- 空间相干性是指光束剖面中不同位置的电场之间的强相关性（固定相位关系）。 例如，在具有衍射限制光束质量的激光器光束的横截面内，不同位置的电场以完全相关的方式振荡，即使时间结构因不同频率分量的叠加而复杂化。 空间相干性是激光束具有强方向性的必要前提。
- 时间相干性意味着一个位置但不同时间的电场之间存在很强的相关性。 例如，单频激光器的输出可以表现出非常高的时间相干性，因为电场在时间上以高度可预测的方式演变：它在较长时间内表现出干净的正弦振荡。
图 2-4 进一步说明了空间和时间一致性之间的差异。 作为参考，图2显示了单色高斯光束，表现出完美的空间和时间相干性。
图2：高斯激光束焦点周围的电场分布（例如来自左侧），具有完美的空间和时间相干性。
图3显示了空间相干性高但时间相干性差的光束。 波前形成如上，光束质量仍然很高，但光束的振幅和相位沿传播方向变化。 请注意，波前的局部振幅和间距都在一定程度上有所不同。 例如，可以从超连续源的输出产生这种光束。
图3：具有高空间相干性但时间相干性差的激光束。
图4显示了空间相干性降低但时间相干性较高的激光束。 波前变形，这导致光束发散度高，光束质量差。 另一方面，光束是单色的，因此变形波前的间距保持不变。 当单频激光器的输出通过一些光学不均匀的材料发送时，这种光束可以产生。
图4：空间相干性差，但时间相干性高的激光束。
如果具有高空间相干性的激光束通过光学扩散器元件（例如，一块非常不均匀的玻璃）发送，该元件完全扰乱波前，则产生的扭曲光束原则上仍然可以被认为是空间相干的，因为不同点的电场之间的相位关系仍然是固定的， 只要波前失真不随时间变化。 原则上也可以通过应用另一种补偿复杂空间失真的光学元件来恢复简单的光束形状。 然而，对于大多数实际目的，这种扭曲的光束在空间上是不相干的。 然而，空间相干性的真正破坏需要随时间变化的波前失真，例如，可以通过旋转扩散器获得。 在这种情况下，时间相干性也会有所下降，而如果仅使用固定扩散器，则会完全保留。
激光的相干性
空间一致性
激光具有产生具有非常高空间相干性的光束（例如高斯光束）的潜力，这可能是激光与其他光源辐射之间最根本的区别。 激光的高空间相干性源于谐振器模式的存在，谐振器模式定义了空间相关的场模式。
时间一致性
在只有一个谐振器模式具有足够的激光增益来振荡的情况下，可以选择单个纵向模式，从而获得具有非常高时间相干性的单频操作。 使用额外的技术来稳定频率，可以大幅减小线宽。 一些激光系统用作线宽低于 1 Hz 的光学频率标准，这意味着极高的时间相干性和数十万公里的相干长度。
另一方面，许多激光器以多种模式发射，光学频率大不相同，并且它们的时间相干性相应较低。 即使对于单频激光器，由于相位噪声较强，时间相干性也可能很弱。 例如，这在激光二极管中经常观察到。
一个特例是用于超短脉冲的激光器，其中光带宽和时间相干性之间的关系不平凡。 来自锁模激光器的脉冲序列可以具有较宽的总带宽，傅里叶光谱由离散的非常窄的线（→频率梳）组成。 时间相干性可能非常高，因为对于接近脉冲周期整数倍的大时间延迟存在很强的场相关性。
另请参阅关于超连续性相干性的讨论，以及关于光子学聚光灯中超短脉冲相干性的文章。
量化一致性
有不同的方法可以量化一致性的程度：
- 相关函数将相关程度指定为空间或时间距离的函数。 存在不同阶次的相关函数。 一阶相关函数与光谱有关。 二阶相关函数描述了强度相关性，即光子聚集或反聚集等效应。 高阶函数描述了更微妙的细节。
- 相干时间通过相干性丧失的时间来量化一阶时间相干的程度。
- 相干长度是相干时间乘以光的真空速度，因此也通过传播长度（以及传播时间）来表征时间（不是空间！）相干性，相干性丢失。
- 单频激光器的线宽也与时间相干性密切相关：窄线宽（高单色性）意味着高时间相干性。
- 条纹可见性参数基本上指定了由两个电场叠加产生的干涉图案的可见性（对比度）。
一致性的定量规范可能来自理论计算（涉及统计方法）或测量。 在大多数情况下，测量涉及某种干扰。 例如，可以将干涉对比度作为路径长度差的函数来测量，以获得相关函数。
应用一致性的重要性
一些应用需要具有非常高的空间和时间相干性的激光。 例如，这适用于干涉测量、全息术和某些类型的光学传感器（例如光纤传感器）的许多变体。 这些特征对于相干光束组合技术也很重要。
对于其他应用，所用光的相干性应尽可能低。 例如，光学相干断层扫描需要非常低的时间相干性（但与高空间相干性相结合），其中图像是用一种干涉测量法创建的，而高空间分辨率需要低时间相干性。 适合此类应用的光源可以基于激光放大器（→超发光源）的放大自发发射（ASE）或非线性介质中的超连续体生成。
低程度的时间相干性也有利于激光投影显示、成像和指针应用，因为它减少了激光散斑和类似干涉效应的趋势。
量子光学中的相干性
在量子光学中，术语相干性通常用于发光原子或离子的状态。 在这种情况下，相干性是指对应于电子状态的复振幅之间的相位关系。 这很重要，例如，在没有反转的情况下。
还有光场的术语“相干状态”，它还有另一个含义。
