空間與時間的同調性 (Coherence):

同調性(coherence)又稱做相干性,是用來描述波動在傳播時其時間上和空間上之相關特性,簡言之,同調性的好壞,就代表了波動傳遞是否整齊,可以用波長來表示這個特性。假設有一道光波對觀察者迎面而來,若是在同一位置、但不同的時間點,由觀察者所量得的波長都一致,那麼就表示這道光波在這段時間內的時間同調性(temporal coherence)很好;若由兩名觀察者左右相隔一段距離,站在不同位置,面對同一迎面而來的光波,分別量測該光波之波長,若在包含兩名觀察者間的任一位置都能量得相同波長,則表示此光波在這兩名觀察者間的空間同調性(spatial coherence)很好。

兩種同調性各有其對應的物理意義。時間同調性所對應的是該光波的單色性,同一觀察者看到不同波長的光,即表示這道光的顏色非常單一;空間同調性則對應到這光波的指向性,假設左邊的觀察者所量得的波長較短,右邊的觀察者所量得的波長較長,那麼就代表此光波的行進方向將偏向左側,而不會只是單純地直線前進了。

量測上,我們可使用麥克遜干涉儀(Michaelson Interferometer)來量測時間同調性,麥克遜干涉儀是將一道光用一分光鏡分為兩道,使用反射鏡讓此兩道光經過不同長度的路徑傳遞後,再用一分光鏡將他們組合。由產生之干涉現象,可判斷此光之時間同調性。麥克遜干涉儀是一種強度分光(amplitute splitting)的干涉儀,經過分光後的兩道光其實來自同一道光,經過不同距離的傳遞後,可視為同一道光在不同時間的狀態,"以距離換取時間"其實就是麥克遜干涉儀的基本概念,若這兩道光的波長相同,自然會在組合後產生明顯的干涉現象,若無法觀察到,則表示這兩道光波長有所差異。因此,在麥克遜干涉儀中,固定其中一道光,調整另一道光的路徑,在觀察干涉現象從有至無的過程中,可以量測出路徑的改變量,此數值即稱做同調長度(coherehce length),同調長度越長,代表此光波的單色性越好,雷射光通常有很好的時間同調性,其同調長度可達數米,LED可能只有數百奈米,一般自然光則更小,幾乎難以量測。

至於空間的同調性,我們可用雙狹縫干涉實驗來加以量測。雙狹縫干涉儀是一種波前分光(wave front splitting)的干涉儀,他的兩個狹縫就如同兩名在不同位置的觀察者,若能在特定的狹縫間距內看到明顯的干涉現象,則表示此光波之空間同調性甚佳。嚴格來說,我們可能得準備可調整位置的狹縫,才能確保在此段距離間的空間同調性是一致的。