光学相位 Optical phase

2022-11-04 09:36:31 浏览:297

定义

光波电场的相位,通常在时域中考虑。

光辐射与电磁波有关,与其他波一样,这些波可以用振幅和相位来表征。 相位决定了电场在振荡周期的哪个部分。(对于在自由空间中传播的平面波,电场和磁场是同相的,即它们的相位值是相同的。 相位每振荡周期前进2π,这意味着(对于光波)在单个飞秒内会发生实质性的相位变化。 相位的时间导数决定了瞬时频率。

当光波可以用相量(即复振幅)描述时,光相位可以与复相相关联。 例如,在z方向上传播的平面波可以用相量A exp(i(k z −ω t))来描述,其中光学相位为arg(A) +k z −ωt。

波前是具有相等光学相位的表面。 这些是平面波情况下的计划,但也可以弯曲甚至以复杂的方式打乱。

高时间相干性本质上意味着光学相位在时间上系统且可预测地演变。 同样,空间相干性与空间中不同点的相位之间的相关性有关。 理想情况下(即,对于具有完美空间相干性的光),具有明确定义的相前,即具有相等光学相位的表面连接点。

当光通过透明介质传播时,其光学相位与传播距离成比例地延迟。 比例因子称为相位常数(或波数),它是传播常数的虚部,与折射率有关。 由于高光学频率,在远低于微米的传播距离内已经发生了大量的光学相位延迟。

光学元件的基本功能通常是应用某种相变。

各种光学元件的基本功能是将空间相关(但与时间无关)的光学相变(相移)应用于光束。 例如,球面透镜施加的相变大约与距透镜轴线的距离平方成正比。 成像应用中与理想径向依赖性的偏差称为球面像差。衍射光栅产生与空间坐标成比例的相移(意味着传播方向的变化),这也取决于光学频率。波片产生与偏振相关的相变。

为了对激光束应用控制良好的随时间变化的相位变化 - 甚至包括非常快速的相位调制 - 可以使用相位调制器。

由于光学介质的非线性,当一个波在空间和时间上重叠时,会影响另一个波的光学相位;这种效应称为交叉相位调制。 此外,每个光束都可以修改自己的相位(自相位调制)。

光学和光子学中的许多现象都取决于光学相位或相位差。 一些例子:

  • 光束的相位分布对于其在空间中的进一步传播至关重要。 例如,弯曲波前与光束的发散或收敛有关。 波前失真通常是一个技术问题,可以通过例如使用适当的相位校正板来减少。
  • 干涉效应在很大程度上取决于光学相位 – 在下面找到更多详细信息。
  • 共振现象 - 例如在光学谐振器的情况下 - 与往返相移有关,其整数倍是2π的整数倍。
  • 为了有效地将光耦合到光学谐振器中,需要模式匹配。 从本质上讲,这意味着入射光的相位前沿与谐振器模式的相位前沿相匹配。
  • 一些非线性过程只有在实现相位匹配的情况下才能有效。 从本质上讲,这意味着所涉及的光波的相对相位在通过非线性介质传播过程中不会发生太大变化。
  • 激光的线宽由其输出光束的光学相位波动决定。

对于光脉冲,有时指定与时序抖动相关的定时相位;这不应与光学相位的波动混淆。

非单色光的相位

光学相位明确定义了准单色波,但不适用于具有非常复杂振荡模式的波。 例如,不清楚如何将宽带光的光学相位定义为热辐射(例如来自白炽灯或太阳光的光)。

此外,光学相位可能具有对光束中位置的复杂依赖性;在多模光束中,每种模束可能具有不同的相位演变。另一方面,激光束通常接近衍射极限,这意味着整个光束轮廓存在近乎完美的相位相关性。

另一方面,来自锁模激光器的超短脉冲通常具有明确定义的光学相位,即使它们非常宽带。 通常,该相位在脉冲之间具有良好的再现性;其结果是,这种脉冲序列的光谱由离散线(→频率梳)组成。 相对于脉冲包络测量的脉冲与脉冲的系统相变称为载波包络偏移相位。 通常还获得高空间相干性。

时域和频域相位

通常,在时域中考虑光学相位。 但是,还要考虑光学频率分量的相位,即频域中的光相位;这称为光谱相位。 时域中的恒定相变对应于频域中的相同相变。 时间延迟(例如超短脉冲)与频谱相位的变化有关,频谱相位的变化是频率乘以时间延迟的2π倍。 通常,时域相位的调制会导致光谱的修改,而不仅仅是频域中的相关相变。

干扰效应的相位差

由于光学频率非常高,因此很难直接测量光学相位。 然而,相位差通常与干扰效应有关,如果所涉及的波具有相似的频率,相位差可能会相对缓慢地演变。 例如,当叠加两个具有相似光学频率的准单色激光束时,可以获得光学节拍音符;然后可以使用足够快的光电探测器测量拍频(例如在兆赫兹或千兆赫兹区域)。 所涉及的光束之一的任何相位偏差都直接转换为所获得的拍频信号的相位偏差。

在干涉仪中,人们经常比较来自同一激光束的两个光束的相位,但只有一个光束受到相变的影响。 人们可以通过将其转换为叠加光束的强度变化来精确测量微小的相位差。

光学相位和频率差异的测量(通常基于节拍音符)是光学计量的关键要素。 特别是对于频率梳(由锁模激光器生成),现在可以精确地比较光学频率,即使它们相距太远而无法直接测量节拍音符。 此外,可以与微波频率(例如来自原子钟)进行精确比较,其中几乎可以避免任何相位滑移,即以毫弧度或更低的相位精度记录和比较这些振荡。

相位噪声

激光束的光学相位总是受到一定程度的相位噪声的影响,例如由于激光增益介质中的自发发射或激光谐振器的长度变化。 因此,两个单频激光器之间的拍频不是完全单色的信号,而且还表现出一定程度的相位噪声。 事实上,激光器的相位噪声通常是通过记录这种节拍音符来测量的。

有关更多详细信息,请参阅有关相位噪声的文章。

基础光学

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