第一章(2hr)-激光器基础-光电技术导论...

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第一章光电信息技术物理基础_§1.1理论基础

原子能级和结晶格能带之比较
（4）导体内的能带以金属钠(Z=11)为例（如图）
空带
半满带
3p
与1s 、2s 和 2p 原子能级对应的能带:完全填满。但 3s 能带:仅有一半被填充。在外界电场的作用下，获得额外的少许能量就可到能带内附近许多空的状态去,形成电
3s
2p 2s
满带钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
U
UT
1)
）
当I = 0时，可以确定开路光电压Voc为
式中为Isc短路电流。
光生伏特效应的应用: (1)太阳电池;(2)光电探测器件。
$1.1.5 热释电效应
热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释电效应。
（2）杂质的电离能小于禁带宽度。
另外，因杂质原子数目少，所以杂质光电导效应
相对本征光电导来说也微弱得多。
掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边(光子能量小于锗禁带宽度)的某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。
（b）n 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素（如磷、锑、砷等），即构成 N
型半导体(或称电子型半导体)。
每掺入一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额外的电子占有恰在导带下方的某些分立的能级。

第一章光电技术基础

M e,s, m 1.309T 5 1015 W·cm-2·μm-1·K-5
2、M 数值随温度升高很快。（M 峰值升高，维恩曲（线wi下en面）积最增大大发，射M本也领大定）律：
描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式
以上三个定律统称为黑体辐射定律。
意义何在？
第一章光电技术基础
10
例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温度为 36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？
1.本征吸收
在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。
第一章光电技术基础
27
显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于
半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv Eg
（1-69）
由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限
L
hc Eg
1.24 Eg
........(
m)
（0）
只有短于上述波长的入射辐射才能使器件产生
Le,
第一章光电技术基础
（1-54）
15
如图1-5所示为人眼的明视觉光谱光视效率V（λ）
它为与波长有关的相对值。注意短波长和长波长处

光电师的知识点总结

光电师的知识点总结第一部分：光电基础知识1. 光电效应光电效应指的是当金属或半导体受到光照射时，会产生电子的排出现象。

这是光电师工作中非常重要的基础知识。

光电效应分为外光电效应和内光电效应。

2. 光电元件光电元件是光电师研究和应用的基础。

常见的光电元件主要包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。

3. 光的波粒二象性光具有波粒二象性，既可以表现为波动，也可以表现为粒子。

光电师需要深入了解这一性质，以便更好地理解光电效应和光电元件的工作原理。

4. 光电信号的生成和传输光电师需要了解光电信号的生成和传输机制，包括光信号的接收、放大、转换和传输等方面的知识。

第二部分：光电测量技术1. 光电测量系统光电测量系统是光电师工作中常用的设备，主要包括光电传感器、光谱仪、光电倍增管、光电二极管等。

2. 光电检测原理与方法光电师需要掌握各种光电检测原理与方法，包括光电传感、光谱分析、光电放大、光电转换等。

3. 光电测量技术的应用光电测量技术在工业控制、环境监测、医学诊断等领域有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的特点和需求，以便更好地开展工作。

第三部分：光电器件与应用1. 光电器件的分类和特性光电器件包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电倍增管等，光电师需要深入了解这些器件的分类、特性和工作原理。

2. 光电器件的应用光电器件在光通信、光学成像、光谱分析、光电传感等方面有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的需求和技术要求。

3. 光电器件的研发和制造光电师需要了解光电器件的研发和制造流程，包括光电器件的设计、加工、测试和封装等方面的知识。

第四部分：光电系统集成与优化1. 光电系统集成技术光电系统集成技术是光电师工作中非常重要的技术，需要深入了解光电器件的选择、配置、连接、控制等方面的知识。

2. 光电系统优化技术光电系统优化技术是光电师工作中必不可少的技术，需要了解光电系统的性能、效率、稳定性等方面的优化方法。

光电技术绪论

光发射机
光接收机
被动式光电系统基本模型
目标热辐射
光 → 学信道
接光受检电 → 透→ 探 → 测镜电测路系器统
光发射机
光接收机
《光电技术》课程内容光电技术》
第一章光辐射与发光器件第二章光电探测器概述第三章光电探测器件第四章热电探测器件第五章光电成象器件第六章光调制器件第七章直接探测系统外差(相干相干)探测系统第八章外差相干探测系统第九章光电检测电路的设计第十章光电系统的应用第十一章太赫兹技术
光电技术
• 20 世纪60 年代初出现的激光和激光技术激光和激光技术，激光和激光技术以其强大的生命力推动了光电子技术及其相关产业的发展。光电子技术所涵盖的激激光技术、光导波技术、光检测技术、光技术、光导波技术、光检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、算和信息处理技术、光存储技术、光显示技术、激光加工与激光生物技术等已经在技术、激光加工与激光生物技术经济中发展形成了光电子信息产业，它将继微电子技术之后，再次推动科学技术的革命与人类社会的进步。
光电子产业发展趋势
• 近十年来，国内光电子产业处在迅猛发展状态。2006 年，全国光电子产值超过了1100 亿元人民币，每年以20%左右的速度增长。目前，我国光电子产业约占全球市场的5%，估计到2010年，我国将有450多亿美元的产值，占世界市场10% 左右的份额。
光电系统
所谓光电系统, 所谓光电系统就是以光波作为信息和能量的载体而实现传感、传输、探测等功能的测量系统。现传感、传输、探测等功能的测量系统。光波作为能量载体可提供：光波作为能量载体可提供：极高功率密度与能量密度的光能( 极高功率密度与能量密度的光能 1015w/cm2) 极短的光脉冲( 极短的光脉冲 0.2fs) 极精细的光束等( 极精细的光束等 0.13µm) 极高的单色性( ８极高的单色性 10-８nm) 创造出极端的物理条件：创造出极端的物理条件：极高和极低的温度( 极高和极低的温度 20nK) 极高的压强( × 极高的压强 3.3×1011Pa) 极精密的刻划( 极精密的刻划 0.1µm) 极精细的加工( 极精细的加工 0.1µm)

光电技术第一章优秀课件

I hq(1ed)Φe,
3. 丹培(Dember)效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓度差。
这种由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象称为丹培效应。
1
dg12qhK bfdl32e,12de,
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。
表明，具有能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示，导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于真空能级与费米能级之差
结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。这种现象称为半导体的光磁电效应。
光磁电场为
EZqB(nD 0 nnpp )0 (pp0pd)
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度； D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
U DK q T n n p p l n 1n 0n n p p0 n p 0

光电技术第1章 (第2讲)

(1-33)
式中，光谱光出射度M 式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度 v,λ、光谱发光强度I 和光谱光照度E 光谱发光强度 v,λ和光谱光照度 v,λ等。
5
2. 量子流速率
光源在给定波长λ处光源在给定波长处，由λ~ λ+dλ范围内发射的辐射通范围内发射的辐射通除以该波长λ的光子能量的光子能量hv 量dΦe除以该波长的光子能量，得到光源在该波长 λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率 e,λ，处每秒钟发射的光子数，处每秒钟发射的光子数称为光谱量子流速率dN 即
19
2. 辐射体的温度表示
对具有一定亮度和颜色的热辐射体，对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐射定律, 可用以下三种温度进行标测。射定律可用以下三种温度进行标测。 (1) 辐射温度Te 辐射温度T 当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相等时, 以黑体的温度标度该热辐射体的温度, 等时以黑体的温度标度该热辐射体的温度这种温度称为辐射温度T 度称为辐射温度 e。
1.3.1 黑体辐射定律
1. 黑体
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。黑体的吸收系数为，发射系数也为1。的物体称为黑体。黑体的吸收系数为1，发射系数也为。
8
2. 普朗克辐射定律黑体为理想的余弦辐射体，黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐出度 Me,s,λ(角标“s”表示黑体由普朗克公式表示为角标“ 表示黑体普朗克公式表示为表示黑体)由角标
式中,σ是斯特藩波尔兹曼常数式中是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定是斯特藩波尔兹曼常数，

第1章-光电技术的理论基础综述

•
对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566 lm。
5.辐(射)亮度和光亮度
• 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即
1. 辐射能和光能 • 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。 • 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示，其计量单位为流明•秒（lm· s）
2.辐射通量和光通量
• 辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐(射)能称为辐(射)通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦(W)，即
除人眼而外，其他的光检测器，如光电池、光电倍增管、磁头、感光乳胶等也只能感受一定范围的波长，并且对每种波长的响应程度（反应的灵敏度）也不同。它们对不同波长的这种选择特性可用与视见函数曲线类似的光谱响应曲线来表征。 1是锑铯光电管，不能感受0.6um以上的红光；2是人眼；3 是硅光电池；4是热敏元件，对所有波段无选择地接收，灵敏度相等.
• 阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX。
4.辐(射)强度和发光强度
• 对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射) 强度Ie，即
dΦe Ie dΩ
• 辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 [W／sr] • 发光强度
dQe Φe dt
Qe Φe t
• 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φv，即

光电技术第一章

统可用于产品质量检测和生产过程控制。
光电成像系统的应用
01 总结词
光电成像系统在安全监控领域的应用具有全天候、远距离和高清成像的优势。
02
详细描述
光电成像系统在安全监控领域中发挥着重要作用，如红外热成像仪可以检测物体温度分布，紫外成像仪可以检测火焰等危险源。这些成像系统为安全监控提供了实时、准确的图像信息。
05
光电技术发展前景
新型光电材料的发展
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料的发展成为了光电技术领域的重要方向。
详细描述
新型光电材料，如钙钛矿、石墨烯等，具有优异的光电性能，为光电技术的发展提供了新的可能性。这些材料在太阳能电池、光电探测器等领域的应用，有望提高光电转换效率和响应速度，降低成本。
03
光电元件与器件
光电探测器
光电探测器是光电技术中的重要组成部分，用于将光信号转换为电信号。
常见的光电探测器有光电二极管、光电晶体管和光电倍增管等。
光电探测器的性能指标包括响应速度、灵敏度、线性范围和光谱响应等。
光电探测器在通信、光谱分析、激光雷达和图像传感器等领域有广泛应用。
光电二极管
详细描述
光电传感器在医疗领域的应用包括生理参数监测、医学影像获取等方面。例如，光电容积描记技术利用光电传感器测量血液流速和容积变化，用于监测心输出量和血压等生理参数。
光电成像系统的应用
总结词
光电成像系统具有高分辨率、高灵敏度和快速成像的特点，广泛应用于科研、医疗和工业检测等领域。
详细描述
光电成像系统利用光电转换器件将光信号转换为电信号，再通过电子学和计算机技术进行处理和显示。在科研领域，光电成像系统可用于观测天体、微观粒子和生物组织等；在医疗领域，光电成像系统可用于诊断疾病和辅助手术；在工业检测领域，光电成像系

《光电技术》第一章基础知识

dIe d 2 e , Le , dS cos ddS cos
图1－4
辐射源的辐射亮度
• •
七、光谱辐射量当辐射量是波长的函数，即
e e
• • • • • • 时，必须用光谱密度函数来对辐射量进行描述：
d e e （1.10） d
信息载体辐射源
光电探测器信息处理
图1－1
光电测量系统
• 首先，被测参量的变化对光学量（包括光强度、相位、偏振、频率或波长等）进行调制；然后，通过对调制量的探测、变换和处理等，形成光电检测系统。 • 光电检测系统一般分为： • （1）测量检查型——实现光学测量或非光电参量的光电检测； • （2）控制跟踪型——具有光电检测能力的反馈控制系统。例如，光学制导、热定向等； • （3）图象分析型——能记录、再现目标图象、并进行识别、判断等处理。例如，条码识别，指纹、眼底模式识别等。
• • • •
今后光电技术的发展方向为：（1）检测技术自动化；（2）检测结果数字化；（3）检测系统智能化。
• 光的本质是电磁波辐射。整个电磁波波谱覆盖24个数量级的波长范围：10-10—1014m。 • 一般把电磁波波谱划分为： • 长波区 >1000m • 光学区 0.01—1000m • 射线区 <0.01m • 而光学区又划分为： • 红外区 >0.78m • 可见光区 0.38—0.78m • 紫外辐射区 <0.38m
绿
10 1 1 m
可见紫外 10-1 10-2
电磁波谱图
492
蓝
10-3 X 射线 10-4 10-5 射线 10-6
1nm 1Å
455 390 300

激光原理与技术第一章

ຫໍສະໝຸດ t sA21
s
1
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理与技术
设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
hν
激光原理与技术
四、受激辐射的相干性
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的．因而是不相干的。此外，自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。
一、黑体辐射的普朗克公式
绝对黑体(简称黑体)：处于温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体。（空腔即为绝对黑体）热辐射(温度辐射): 物体除吸收电磁辐射外，还会发出电磁辐射，这种电磁辐射称为热辐射 .
激光原理与技术
黑体辐射或平衡辐射: 黑体处于某一温度T 的热平衡情况下，则它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量 ( 热 ) 平衡状态。显然，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
h3 xyz px p y pz
又px 2k x , py 2k y pz 2kz
则xyzpxpy pz h
3
一个光波模在相空间也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。
激光原理与技术
三、光子的相干性
光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性(例如光波场的相位)的相关性。
激光原理与技术
二、光波模式和光子状态相格
按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等效的概念。

第1章光电技术基础下

电阻率大于1012Ω·cm
电阻率为10-3—1012Ω·cm
半导体的独特性能
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其应用极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：
光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；
热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；
n N e , (1 e

) 载流子的平均寿命。
q dg d e, 2 hl
与电极间距平方成反比
τ=1/Kf(ni+pi)称为
达到动态平衡状态时， n0 N e, μ为电子光激发载流子引起半导体电导率的变化 n0 q 迁移率
bd qbd 本征半导 g N e , 体光电导 l l
+4
+4
空穴硼
+3
硅
+4
受主能级的存在使较高能量的电子直接跳上它而不跳向导带，所以平均电子的能量降低，费米能级降低。
3. N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷或锑），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 N（Negative）型半导体。五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，它很容易被激发而成为自由电子，该原子就成了不能移动的带正电的离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子。这种半导体又称为“电子型半导体”。因施主能级的存在可使较多电子高跳上导带，在高能态的电子就多，所以费米能级升高。磷
导通压降硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
U
反向饱和电流
反向特性
P
–
+N
死区电压

激光器培训教程-1

激光器培训教程-1在当今科技飞速发展的时代，激光器作为一种重要的工具，在众多领域都发挥着关键作用，从工业制造到医疗美容，从通信技术到科学研究。

因此，掌握激光器的相关知识和操作技能变得越来越重要。

接下来，让我们一起深入了解激光器。

一、激光器的基本原理激光器的核心原理是受激辐射。

简单来说，就是在特定的物质中，通过外部能量的激发，使得原子或分子处于高能态。

当这些处于高能态的粒子回到低能态时，就会释放出光子。

而这些光子具有相同的频率、相位和方向，形成了高度相干的激光束。

要实现受激辐射，需要满足三个条件：首先是要有能够实现粒子数反转的工作物质，即处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数；其次是要有一个激励源，为工作物质提供能量，激发粒子到高能态；最后是要有光学谐振腔，用来增强和筛选特定频率和方向的光，提高激光的相干性和亮度。

二、激光器的分类根据工作物质的不同，激光器可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等。

气体激光器常见的有氦氖激光器、二氧化碳激光器等。

氦氖激光器输出的激光波长为 6328 纳米，常用于准直、测量和光学实验等领域。

二氧化碳激光器则输出波长在106 微米左右的红外激光，在工业切割、焊接等方面应用广泛。

固体激光器的工作物质通常是晶体或玻璃，如红宝石激光器、Nd:YAG 激光器等。

固体激光器具有较高的功率和较好的光束质量，在激光打标、打孔等加工领域表现出色。

液体激光器主要有染料激光器，其波长可以在一定范围内调节，适用于光谱学研究和生物医学等领域。

半导体激光器体积小、效率高、寿命长，常见于激光通信、激光打印和激光照明等领域。

三、激光器的主要性能参数了解激光器的性能参数对于正确选择和使用激光器至关重要。

1、输出功率：这是激光器输出激光的能量大小，单位通常为瓦特（W）。

功率的大小决定了激光器能够完成的任务，如高功率的激光器可用于切割和焊接，低功率的则适用于通信和指示。

2、波长：不同的波长适用于不同的应用场景。

激光讲义01-激光原理与激光器

但小孔也限制了基模体积，功率受限。
b. 聚焦光阑选模——腔内聚焦的焦点处设置小孔光阑，加大了模体积；但
腔内有聚焦不适合大功率大能量激光。
第二十一页，编辑于星期一：十八点五分。
c. 非稳腔选模——模体积大，有利于大功率大能量输出；对横模选择本领高；腔内光束均匀；输出易于调整。有双凸腔；平凸腔；虚共焦凸凹腔等
E2-E1 = hn= hc/l 玻尔兹曼分布律——在热平衡状态下，低能级上的粒子数N1总是高于高能级上的粒子数N2
第二页，编辑于星期一：十八点五分。
1.1.1.2 受激辐射和自发辐射
1）正常情况下，大多数粒子处于低能级（基态），通过注入外能（光照.电子碰撞.化学能.热能等）可使基态的粒子激发(泵浦.抽运）到高能级上去（激发态） 2）处于激发态E2的粒子会自发地向低能级基态E1跃迁放出光子（自发辐射）hn=E2-E1；也可受光子hn的激发而发射相同的光子hn（受激辐射）它的频率.相位.传播方向和偏振态完全相同。
，满足标准具透过率极大值的纵模只有
一个。选择标准具的厚度和反射率（一般角度很小），可实现单一纵模输出。
第二十三页，编辑于星期一：十八点五分。
1.1.4.3 锁模技术——激光器输出一般包含若干个超过阈值的纵模；
采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率的各纵模之间保持确定的
相位关系；即相位差恒定，于是各纵模间相干叠加的结果产生超短脉
第二十四页，编辑于星期一：十八点五分。
2）被动锁模——腔内插入一快速可饱和吸收体（染料盒）来调节腔内损耗，可饱和吸收染料的透过率随光强而变化，对强光脉冲的透过率大，弱光脉冲的损耗大；
3）高单色性——激光的谱线宽度很窄；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度。