第四节 激光特性第节 激光特性.doc

激光特性 激光和普通光源相比，优点很明确，就是相干性很好、亮度很高。相干性的概念来源于波的干涉，当两列频率相同、偏振方向相同的光在空间相遇，如果相位不同，但是值是确定的，就会出现明暗随空间变化的所谓条纹；如果相位不确定，就不会出现干涉条纹。光学精密测量需要光的干涉性很好；相干光探测有很高的信噪比。所以总是希望有功率越大越好的相干性光源。 1.4.1相干性概念 衡量光的相干性，常用的参数有相干长度、相干时间和线宽。相干时间就是光通过相干长度的时间，；线宽和相干时间的关系为。所谓相干长度，就是一列光分成两列光后再相遇，能够发生干涉的最大光程差。 如图1-15，考虑一个长为的FP干涉仪，光在腔内往返一周回到出发点，经过光程差为，先出发的光和后出发的光相差时间。如果光的相干长度小于，或者相干时间大于，干涉仪的输出就没有明显的强度变化。这就是为什么一般的半导体激光器不能用于FP干涉仪的原因。因为普通的半导体激光器，相干长度只有几个厘米，小于FP干涉仪的腔长。F-P干涉仪需要使用相干性很好的激光器，例如He-Ne激光器。迈克尔孙干涉仪和M-Z干涉仪的情况与此类似。近年来发展光学断层扫描技术（OCT-Optical Coherence Tomography），就是利用了这一原理。 在量子光学里，相干态定义为满足最小测不准关系的态【参考文献《激光物理》，卢亚雄，余学才，张晓霞 编著，北京邮电大学出版社，2005年】。在一维情况下，测不准关系取等号为最小测不准关系： （1.4-1） 其中为光子动量方差，光子位置方差，通常笼统称为不确定范围。为了说明这个问题，我们回到物理光学双狭缝干涉的情况，那里有一个干涉条件 （1.4-2） 式中为线光源的线宽，为光源对两狭缝的张角（图1-21）。 现在验证满足干涉条件（1.4-2）的光子满足最小测不准关系。通过两个狭缝到达屏上干涉的光子位于光源对两个狭缝张角的锥形空间内，光子在x方向的最大动量为光子动量 （1.4-3） 光子在x方向位置不确定范围为光源的宽度，因此，最小测不准关系为 （1.4-4） 干涉条件（1.4-2）取“等号”即为上式，取“小于号”表示动量和位置方差之积更小。 由于光子的动量，（1.4-1）式还说明，相干条件并不要求光源是数学意义上严格单色（即频率取一个单一值），而是允许频率有一定范围。考虑迈克尔孙干涉仪，设两臂的光程差为。从光源先出发的光子经光程差为延时后和后出发的光子相遇，相当于长度为光程差的光源同一时间发出的光子，所以在光传播方向上光子空间不确定范围就是光程差。光子的动量为，所以动量不确定范围为，因此最小测不准关系为： （1.4-5） 所以相干条件要求光源的谱线宽度满足，或者光程差满足。假设光程差，相干条件要求谱线宽度。 1.4.2、激光相干性 在激光没有出现之前，要获得相干长度为几个厘米的光源，也绝非易事。而气体激光器可以轻而易举得到几百米相干长度，稳频He-Ne激光器可以达到几百公里相干长度。激光器中，气体激光器的相干性最好，固体激光器的相干性比气体激光器差，半导体激光器的相干性最差。所以目前干涉仪大多数还是使用气体激光器，特别是He-Ne激光器。气体激光器输出的单模光，接近于量子光学定义的相干态。 实际激光器的相干性，受温度变化、环境振动、大气气流、模式等多方面的影响。为了获得更高相干性的激光，需要进行激光稳频和单模选择技术。 激光的良好相干性，在精密长度测量、相干探测、光谱分析等方面开辟了很多用途。 1.4.3、激光高亮度 激光的另一个特点是高亮度。所谓高亮度，就是指在垂直于激光方向上，入射到单位面积上的激光能量（或功率）很高。以功率1mW的He-Ne激光为例，光束直径为1mm，功率密度大于100mW/cm2，就已经远远超出了太阳光在地球表面的功率密度。采用调Q技术，可以获得远远超出太阳表面的功率密度值；锁模技术可以获得更高的功率密度。 1.4.4、高光子简并度 从光量子角度，高相干性和高亮度可以统一在一个概念内：高光子简并度。所谓高光子简并度，就是指有大量的光子处于一个状态内。通俗地说，就是大量光子频率相同、传播方向相同，好像数百万只海鸥同时扇动翅膀，准确向同一个方向飞去；准确地说，就是大量光子都满足最小测不准关系（允许频率有很小的不确定范围、传播方向有很小的不确定范围），就像数百万只海鸥扇动翅膀的频率稍有不同，飞行方向在一个角度很小的