为什么灯泡发出的光不具备相干性？
学术
2024-11-03 08:01
北京
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文章来源：通信百科
原文作者：李东霏
当我们讨论光的相干性时，激光因其高度的相干性而闻名，这使得它可以被精确地聚焦。相比之下，白炽灯泡发出的光却无法实现同样的聚焦效果。
我们知道，白炽灯泡是通过电流加热灯丝至高温来产生光的。那这种形式的光为什么不具备相干性呢？要理解这一点，我们需要从光的时间相干性和空间相干性两个不同的方面来探讨。在我们日常生活中，任何物体都会发出一定量的热电磁辐射，即热辐射。例如，灯泡发出的光通常具有非常宽的带宽，这导致它们的时间相干性较低，而时间相干性与光的谱宽有着密切的关系。而灯泡的热辐射的光谱又是非常宽泛的。可以由普朗克公式描述:白炽灯泡的灯丝通常由钨制成，可以在2400至2800K的相对高温下运行，而卤素灯甚至可以在3200K左右运行。通过比较它们的光谱范围，我们可以更直观地理解这一点。对于灯泡来说，我们总是期望它们发出宽带光谱。当光的带宽很宽时，意味着它包含了许多不同的频率成分。这些不同频率的成分在传播过程中会以不同的速度传播，并且它们的相位关系会随时间迅速变化，导致整体光波的相位在时间上无法保持一致。然而，这并不意味着所有热辐射都不具备时间相干性。实际上，即使是固态表面也可能表现出强烈依赖于波长的吸收和发射特性，导致热辐射的光谱形状与普朗克型形状有较大偏差。例如，我们制作具有特定微结构的钨表面，使其可以发出带宽非常窄的光，这表明热辐射的时间相干性是可以提高的，但它仍然达不到激光器的水平。转向空间相干性，灯泡发出的光空间相干性差，并不是因为热发射本身，而是因为灯泡的发射面积很大。如果我们能把发射面积缩小到微米级别，那么它的空间相干性甚至可以超过一些激光器。但这样做有两个挑战：技术上很难制造一个既小又热的物体，同时保持电连接，防止热量迅速流失。当然我们也可以其他方法来实现，比如说采用非接触式加热方法，这与普通灯泡的原理不同。即使我们能做到这一点，发射区域小也意味着发射功率低。一个1微米平方的区域在3000K温度下只能产生4.6微瓦的辐射功率。提高温度可以增加功率，但这种方法有其局限性。尽管如此，灯泡的灯丝在至少一个维度上可以做得相当小。如果灯丝直径为0.1毫米且保持笔直，那么在垂直于灯丝轴的方向上，发射光的光束质量可以与高功率二极管棒的慢轴方向相当。当然，在另一个方向上，光束质量会很差，而二极管棒在快轴方向上则有很高的光束质量。
