激光相干性的研究及实验测量

激光相干性的研究及实验测量

摘要：激光相干技术起源于上个世纪。激光具备了一些普通光源所不具有的特殊性质，如高方向性、高亮度性、高单色性、高相干性。本文以激光的高相干性为研究对象，通过对激光基本性质的研究和激光相干性的基本性质、基本概念、以及激光相干性实验测量来展开讨论研究的。通常我们可以将激光进行扩束，然后将其应用到迈克尔干涉仪上从而来达到观测干涉条纹从而对激光的相干性进行实验研究。

关键词：激光；相干性；扩束：迈克尔干涉仪

目录

1 引言 (1)

1.1 激光相干性研究目的和意义 (1)

1.2 激光相干性研究的现状 (1)

2 激光基本原理 (1)

2.1 激光产生的基理 (1)

2.2 激光产生的条件 (3)

2.3 激光产生的原理 (4)

3 激光相干性的描述 (4)

3.1 激光时间相干性 (4)

3.2 激光空间相干性 (5)

3.3 激光的相干光强 (5)

4 激光相干性的实验研究 (6)

4.1 迈克尔逊干涉仪 (6)

4.2 使用扩束玻璃做激光相干性实验 (6)

4.3 其它仪器的激光相干性实验 (8)

5 小结 (8)

参考文献： (8)

致谢： (9)

1 引言

1.1 激光相干性研究目的和意义

激光具有一些普通光源所不具备的性质，比如高方向性、高亮度性、高单色性，高相干性等等，其实可以将激光的这种特性简单的概括为激光是一种高度简并的光子。本文主要对激光的相干性做出研究，具体包括时间相干性、空间相干性、相干光强。在这些研究中激光相干性是最主要的研究对象，通过对激光相干性的研究我们就可以更加直观的理解和掌握激光的这些特殊性质，从而达到更好的应用激光相干性技术的目的。

1.2 激光相干性研究的现状

在过去的将近一个世纪的时间内，激光相干技术正在迈着稳健的步伐前行着，这是一部宏大的科学发展史。20世纪40年代，来自前苏联的巴索夫和来自美国的汤斯首次实现了MASER 。20世纪50年代汤斯开创新思路用开放式光学谐振替代了旧有的封闭振腔谐。

激光产业是人类科学技术的创新与发展，事实上在现实生活中激光以及激光相干技术已经发挥了越来越大的作用，比如防伪、通讯、医学、检验、印刷、军事、全息拍照等等。走在世界激光前列的国家主要有美国、日本、德国等，如今的我国也激光方面的发展也取得了重大的突破，正在逐步迈入了激光大国的行列。放眼未来，激光及激光相干技术既具备了广阔的发展空间，又充满了巨大的机遇和挑战。

2 激光基本原理

2.1 激光产生的基理

当原子、离子、分子等受到一定频率的能量激发时会产生的一种特殊的光，这种光具有不发散和高相干的性质，这种光被称作激光。

爱因斯坦曾指出：光与物质相互作用包含三种情况：一、自发辐射，二、受激辐射，三、受激吸收。

假设原子只有两个能级，那么在原子中发生能级跃迁时如图一所示有

12E E h -=ν

图一 能级跃迁图

一、自发辐射 自发辐射是和辐射场无关的，它指处于高能级2E 状态的原子会自发的向低能级1E 状态

级跃迁，并且每次跃迁过程中都会有一个能量为hv 的光子被发射出，这种辐射被称为自发辐射。跃迁过程如图二所示。

图二 自发辐射跃迁图

单位时间、单位体积，从能级2E 向能级1E 能级跃迁过程中的原子总数目与处在2E 能级上的原子数目2N 成正比，用公式表达为:

2-N a dt

dN 212= （1） 公式（1）中的21a 为自发辐射系数。

二、受激辐射

同样，在辐射场的作用下，当激励光的频率满足波尔条件时处于高能级的原子会向低能级跃迁，并且跃迁过程中都会有一个能量为hv 的光子被发射出，这种辐射被称为受激辐射。跃迁过程如图三所示。

图三 受激辐射跃迁图

单位时间、单位体积，从能级2E 向能级1E 能级跃迁过程中的原子总数目和处在2E 能级上的原子数目2N 成正比，同时原子总数目还和频率为v 的激励光的能量密度()νρ成正比，用公式表示为

（2） 公式（2）中的21b 为受激辐射系数。

三、受激吸收

同样，在辐射场的作用下，处于低能级状态的原子可以吸收一个能量为hv 的光子同时原()2212N b dt

dN νρ=-

子时会跃迁到一个高能级的状态，这种情况被称为受激吸收。跃迁过程如图四所示。

图四 受激吸收跃迁图

单位时间、单位体积，当原子吸收能量从低能级1E 向高能级2E 能级跃迁过程中的原子总数目和处在1E 能级上的原子数目1N 成正比，同时原子总数目还和频率为v 的激励光的能量密度()νρ成正比，用公式表示为

()1121N b dt

dN νρ=- （3） 式（3）中的12b 表示受激吸收过程中的受激吸收系数。

4.爱因斯坦关系

⎪⎩⎪⎨⎧===υυπυh n c h b a f b f b 3321

212211128 （4） 公式（4）就是爱因斯坦关系，它科学的解释了电子学载波技术应用在低频段成功的原因和应用在光频段失败的原因，从而为激光器的发明奠定了理论基础。

2.2 激光产生的条件

一、粒子数反转

在热平衡状态下的黑体腔内的物质在各个能级上的粒子数密度全部遵从玻尔兹曼统计分布。用公式表示为

（5） 热平衡的状态下的高能级上原子数密度通常是小雨低能级上原子数密度的，可用公式表示为12112

122f n f n <，如21f f =，则21n n >）。在光频段，要实现12112>f n f n （即21n n <），就必须使物质打破热平衡进入非热平衡状态。这就是粒子数反转的条件。这样当光通过非热平衡状态下的物质时受激辐射就会远远大于受激吸收过程，这就是激光产生的物理基础。 )ex p()ex p(12121212T k h f f T k E E f f n n B B υ-=-=-