激光的单色性

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)
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原子发光时间 t 和频率宽度 ν成反比，
t =1/ ν
理想的单色光：频率宽度 ν → 0 ，这就要求 发光时间 t →∞ 任何光源，t和 ν 都有一定大小。即有一定 大小的谱线宽度 λ 叫自然宽度。
λ' = (υ' /ν )λ = λ2 / 2L
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，ν ' 或 λ' 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) 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 例如 频率为4.7×1014 Hz，频率宽度为ν=1.5×109 Hz，氖放电管如长100 cm ，相邻二共振频率 之差 ν '= c/ 2L =1.5×108 Hz
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) 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 νk = kc/(2ndcosi2 ) 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。
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) 从谐振腔发射出来的光波频率数为 ν / ν '= 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) 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) 3. 激光的单色性 (Monochromaticity of laser)
ν 激光单色性定义为： ν /ν0或 λ / λ0， 0和 λ0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 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) 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) 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 ν 为1.5×109 Hz， 谱线宽度 ν 定义为光谱线最大强度 的一半所对应的二个频率 之差 ν2 ν1 .
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 )
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 )
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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 = jλ （j 为整数）或 ν = jc / 2L 不满足干涉条件的光 频率都干涉相消。
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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)
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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 ν0 附近引起一定范围内的增宽。这 个宽度叫多普勒宽度。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8.5 激光的单色性 (Monochromaticity of ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱaser) 4. 选模 ( Mode selection ) 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 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) 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
ν ' =ν2 ν1 = ( j +1)c / 2L jc / 2L = c / 2L
图（a）：不选模时有5个纵模，二 模之间的间距为激光器的纵模间隔 （b）：标准具的透射曲线，在 νk 1 ,νk ,νk +1 有高透射率，且间距大 于激光器的纵模间隔。 （c）：5个纵模中只有一个能通过标准具， 因而形成振荡输出激光的只有一个纵模频率。