激光的单色性
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第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
● 多普勒宽度：在气体放电中，发光原子做无 规则热运动。运动速度和方向都在变化，在发 光中心频率 0 附近引起一定范围内的增宽。这 个宽度叫多普勒宽度。
低，并使输出频率不稳定。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection ) (2)用Fabry-Perot etalon （法布里-珀罗标准
具）。
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 ห้องสมุดไป่ตู้Monochromaticity of laser) 1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
一定长度的谐振腔内有多少个共振频率： 相邻二个共振频率之差为
'2 1 ( j 1)c / 2L jc / 2L c / 2L ' ('/ ) 2 / 2L
激光单色性定义为： /0或 / 0， 0和 0为中心 频率和中心波长。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection ) 纵向单模或单纵模：激光器的输出光束中
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
例如，氖放电管发射的光波为图中所示，中心 频率为4.7×1014 Hz，频率宽度为 =1.5×109 Hz，氖放电管如长100 cm ，相邻二共振频率 之差 ' c/ 2L 1.5108 Hz
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
不满足干涉条件的光 频率都干涉相消。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
共振频率： 满足共振条件的光波频率。 光学谐振腔内的光波的特点： （1）具有共振频率 （2）同时存在的共振频率不止一个，而有 许多个。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 2. 谐振腔的共振频率
谐振腔越长， '或 ' 越小，腔内满足共振 条件的频率数越多，从谐振腔发射出去的光波 中所包含的频率数也越多。谐振腔有选择频率 的作用。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection )
标准具：两面平行，镀高反射膜，厚度为d， 材料的折射率为n
由于多光束反射，对满足 k kc/(2nd cosi2) 频率条件的光有极高（接近100%）的反射率。 式中c 为真空中光速，i2为平板中的折射角，k 是正整数。如取d>>L，调整i1角，可有下图所 示的结果。
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
工作物质(如气体放电管)有一定的频率范围。 把工作物质放在光学谐振腔内，只有 （1）既是工作物质的谱线宽度内的 （2）又是满足谐振腔共振条件 这时的频率，才能形成激光输出。
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
● 氖红线线宽由下图所示。波长为632.8 nm 的 红线，实际的中心频率是4.7×1014Hz，宽度 为1.5×109 Hz， 谱线宽度 定义为光谱线最大强度 的一半所对应的二个频率 之差2 1 .
纵向多模或多纵模：同时存在几个共振频 率
输出单模的方法：选模
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 4. 选模 ( Mode selection )
(1)缩短腔长。如氦氖激光器，腔长为10 cm
时，输出一个频率的激光。但激光输出功率降
只存在一个频率
注意! ( 单模不是频率坐标轴上的一条几何 线，它仍有一定的很狭窄的频率分布。目前激 光的频率宽度可由1到105Hz )
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 4. 选模 ( Mode selection )
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 从谐振腔发射出来的光波频率数为 / ' 10
如果要求谐振腔只发射一个频率，则取氖 放电管长为10 cm 即可。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
多光束干涉： 单一频率平面波沿谐振腔轴线 来回反射，产生多光束干涉。
干涉条件：2L j （j 为整数）或 jc / 2L
● 多普勒宽度：在气体放电中，发光原子做无 规则热运动。运动速度和方向都在变化，在发 光中心频率 0 附近引起一定范围内的增宽。这 个宽度叫多普勒宽度。
低，并使输出频率不稳定。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection ) (2)用Fabry-Perot etalon （法布里-珀罗标准
具）。
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 ห้องสมุดไป่ตู้Monochromaticity of laser) 1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
一定长度的谐振腔内有多少个共振频率： 相邻二个共振频率之差为
'2 1 ( j 1)c / 2L jc / 2L c / 2L ' ('/ ) 2 / 2L
激光单色性定义为： /0或 / 0， 0和 0为中心 频率和中心波长。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection ) 纵向单模或单纵模：激光器的输出光束中
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
例如，氖放电管发射的光波为图中所示，中心 频率为4.7×1014 Hz，频率宽度为 =1.5×109 Hz，氖放电管如长100 cm ，相邻二共振频率 之差 ' c/ 2L 1.5108 Hz
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
不满足干涉条件的光 频率都干涉相消。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
共振频率： 满足共振条件的光波频率。 光学谐振腔内的光波的特点： （1）具有共振频率 （2）同时存在的共振频率不止一个，而有 许多个。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 2. 谐振腔的共振频率
谐振腔越长， '或 ' 越小，腔内满足共振 条件的频率数越多，从谐振腔发射出去的光波 中所包含的频率数也越多。谐振腔有选择频率 的作用。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
4. 选模 ( Mode selection )
标准具：两面平行，镀高反射膜，厚度为d， 材料的折射率为n
由于多光束反射，对满足 k kc/(2nd cosi2) 频率条件的光有极高（接近100%）的反射率。 式中c 为真空中光速，i2为平板中的折射角，k 是正整数。如取d>>L，调整i1角，可有下图所 示的结果。
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
工作物质(如气体放电管)有一定的频率范围。 把工作物质放在光学谐振腔内，只有 （1）既是工作物质的谱线宽度内的 （2）又是满足谐振腔共振条件 这时的频率，才能形成激光输出。
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
● 氖红线线宽由下图所示。波长为632.8 nm 的 红线，实际的中心频率是4.7×1014Hz，宽度 为1.5×109 Hz， 谱线宽度 定义为光谱线最大强度 的一半所对应的二个频率 之差2 1 .
纵向多模或多纵模：同时存在几个共振频 率
输出单模的方法：选模
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 4. 选模 ( Mode selection )
(1)缩短腔长。如氦氖激光器，腔长为10 cm
时，输出一个频率的激光。但激光输出功率降
只存在一个频率
注意! ( 单模不是频率坐标轴上的一条几何 线，它仍有一定的很狭窄的频率分布。目前激 光的频率宽度可由1到105Hz )
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 4. 选模 ( Mode selection )
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 从谐振腔发射出来的光波频率数为 / ' 10
如果要求谐振腔只发射一个频率，则取氖 放电管长为10 cm 即可。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser) 3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
第八章 现代光学 ( Modern Optics)
8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
1. 谱线宽度 (breadth of spectral line)
多光束干涉： 单一频率平面波沿谐振腔轴线 来回反射，产生多光束干涉。
干涉条件：2L j （j 为整数）或 jc / 2L