激光相干性原理简介

激光相干性原理简介
激光相干性原理简介

激光相干性原理简介
在普通光源中,原子发光过程都是自发辐射过程,各个原子的辐射都是自发地、独立进行的,因而各个原子发出的光子在频率、发射方向和初位相上都是不相同的,所以,在光源的不同位置发出来的光各不相同,不具备空间相干性；而它的Δυ很大,所以Δt就很短,因而也不具备时间相干性.所以普通光源发出的光不是干涉光.
而对激光器来说,它所发射的激光单色性很好的,即激光的Δυ非常小,比普通光的Δυ要小得多.因而激光的相 干时间Δt很大,即激光的时间相干性是很好的

激光的相干性可分为：时间的相干性和空间的相干性具体如下：
和普通光一样，激光在时间相干性和空间相干性都比较好．
时间相干性与空间相干性
在第一章里已讲过了光的干涉，光源的相干性是一个很重要的问题，所谓相干性，也就是指空间任意两点光振动之间相互关联的程度，
（图9－26）
在图9-26中，如果 和 两点处的光振动之间的位相差是恒定的，那么当 和 处的...

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激光的相干性可分为：时间的相干性和空间的相干性具体如下：
和普通光一样，激光在时间相干性和空间相干性都比较好．
时间相干性与空间相干性
在第一章里已讲过了光的干涉，光源的相干性是一个很重要的问题，所谓相干性，也就是指空间任意两点光振动之间相互关联的程度，
（图9－26）
在图9-26中，如果 和 两点处的光振动之间的位相差是恒定的，那么当 和 处的光振动向前传播并在 点相遇时，这两个振动之间的位相差当然也是恒定的，于是在 点将得到稳定的干涉条纹，这时，我们就称 和 处的光振动为完全在联的，也就是完全相干光，如果 ， 处的光振动之间的位相差是完全任意的，并随时间作无规则的变化，那么在 点相遇时，根本不能给出干涉条纹，这时我们称 ， 处的光振动是完全没有关联的，也就是完全非相干光。
由于原子的发光不是无限制地持续的，每一次发光，有一定的寿命，因此它总是有一个平均发光时间间隔，从干涉的角度来讨论问题时，可以很明显地看到，只有在同一光源同一个发光时间间隔内发出的光，经过不同的光程后再在某点相遇时，才能给出干涉图样，所以我们把原子的平均发光时间间隔叫做相干时间，在这里，把这一个相干时间记为 ，如果光的速度为 则 表示在相干时间内光经过的路程，我们称它为相干长度，记之为 ，于是有
=
在迈克耳孙干涉仪中，如图1-19所示，引起干涉的两束光为 和 ，这两束光的光程差即为平面反射镜 和 之间的空气薄层的厚度，现在令这厚度为 ，只有当 时，才能清楚地看到干涉条纹，这时 和 这两束光才是完全相干光，当 时， 和 这两束光已经不是发光原子同一次发光中发出的了，它们之间已无恒定的位相差，因而干涉条纹非常模糊， 比 大得愈多，干涉条纹愈模糊，甚至完全不能见到，这时 和 是完全不相干光，在这个例子中，我们可以看到，虽然在处理问题时，还是考虑两束光之间的光程差，但这个光程差是和相干时间联系着的，因此在迈克耳孙干涉仪中讨论光的相干性问题，实质上讲座的是光的时间相干性。
在§1-4杨氏实验的装置中可以看到，光源前放置一块开有小孔S的光阑，在光阑的前面，再另外放置一块开有两个小孔 和 的光阑，只有这样的装置，才能使通过 和 ，则通过 和 后再出射的光不可能是相干光，这是因为普通光源本身发光表面上任意两点之间是没有空间相干性，因此可以用杨氏实验来研究光源的空间相干性。
二、 普通光源的相干性
在普通光源中，受激辐射过程总是小于自发辐射过程，由于后者总是占主导地位，因而普通光源所发射的光相干性是很差的，但是这并不是说绝对不能从普通光源中得到时间和空间相干性都很高的光，只要通过一定的方法，还是可能从普通光源中得到时间和空间相干性较好的光，例如，用单色仪分光后，通过狭缝所得到的光，它的单色性很好，因而它的时间相干性也很高，用杨氏实验装置来遮蔽大部分普通光源的发光表面，只留下一个极小的开孔使光通过，这样得到的光，它的空间相干性也可以是很高的，但是，使用这样的办法以取得相干性很好的光时，光强几乎已减弱到实际上不能利用的程度。
三、激光中的衍射损耗
如果把可见波段的激光入射到光屏上，仔细观察激光光斑的光强分布，就会发现它是不均匀的，不同激光器射出来的光斑中的光强分布也是各不相同的，这就是说，激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布，称为激光束的横向模式，简称横模。
激光束在横截面上呈现各种光强的不同花样的稳定分布而不呈现均匀光强的稳定分布，主要原因就是激光器中有衍射现象，因为谐振腔两端有两块反射镜，它们的大小是有限的，镜面除了对光波起反射作用外，镜面的边缘还起着光阑的作用，任何光束通过光阑时，都会引起衍射现象，因此，激光束在反射镜上反射旱，反射镜也引起了衍射现象，每反射一次，就要产生一次圆孔衍射，假使有一个平行平面腔，两反射镜之间距离为 ，衍射孔径的直径为 、间隔为 的光阑系列，光束在反射镜面上每反射一次，就相当于通过光阑系列中的一个光阑（图9-27）。

(图9－27)
假如有一个平面波在腔内沿轴向传播，在到达第一个光阑时，光强分布为长方形，通过第一个光阑后，光被衍射，这时光强分布就不再保持长方形，边缘部分的光强减弱了，这样依次经过一系列的光阑，由于衍射效庆而使光强分布不断改变

(图9－28)
（图9-28），可以看到，当光束通过一系列光阑时，其振幅和位相的空间分布不可避免地逐次发生畸变，并于最后趋向一定的稳定分布状态，只有在振幅和位相的空间分布达到稳定状态的光波才是最后输出的激光，现在我们取激光器的轴向人微言轻直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心点为原点，并在与主轴z垂直的平面上取 轴和 轴，我们用符号 来表示各种横向模式，这里 均为正整数，分别表示在 轴和 轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数，
(图9－29)
图9-29表示了横模的光斑图，从图中可以看到，基模是光斑中间没有光强为零的光斑，称为 模； 模由表示在 方向有一个光强为零的光斑； 模表示在 方向有一个光强为零的光斑；以此类推，模式序数 越大，光斑图形中光强为零的数目就越多， 称为低次模式；其它的模式皆称为高次模。（照相图14）。
四、激光的相干性
和普通光一样，激光在相干性和空间相干性，如前所述，原子发光时间 和所发光的频率宽度 是成反比的[（9-26）式]，也就是说， 愈小， 就愈长，而对激光器来说，它所发射的激光的单色性是很好的，即激光的 非常小比普通光的 要小得多，这样就可以很自然地得到结论，激光的相干时间 很大，即激光的时间相干性是很好的。
那么，激光的空间相干性为什么也很好呢？上面已经讲了激光器的衍射现象，正是由于这个衍射作用，使激光在空间相干性提高了，现在来计算一下由于衍射而损耗的能量，
(图9－30)
图9-30中，激光从直径为 的小孔 射入，如没有衍射，则能量集中在面积为 的小孔 中，现在因有衍射，能量不可能集中在 这块面积上，即通过小孔边缘的光必然向外扩展，对于圆孔衍射，第一极小值在 ，于是，因为衍射的缘故，能量分布的面积的增量为 （ 为腔长），衍射能量损耗的百分比为

式中N这菲涅耳数，定义 ，N愈大，衍射损耗愈小，所以菲涅耳数N是描述衍射损耗特性的一个参数。
衍射使激光的能量受到损失，但却为激光的空间相干性创造了条件，如开始时光波是空间不相干的，那么由于衍射的结果，在多次来回反射后的衍射孔边缘处，由于光的衍射扩散，不仅向外并且也向内发射光束，就是说，衍射孔使从光束截面上各点射出的光线互相混合，所以，在许多次衍射后，光束截面上一个点的光，不再仅与原光束的一点有联系，而是和整个截面有联系，因此截面上各点是相关联的，在这种情况下，就建立了光束的空间相干性，光波就成为空间相干的了。
衍射损耗除了与菲涅耳数N有关外，还与谐振腔的振荡模式有关，不同模式的衍射损耗是不同的，理论计算结果表明，高次模式比低次模式的衍射损耗大，这样，对一定的谐振腔来说，有些模式还没有达到阈值条件时，另一些模式已达到了阈值条件，也就是说，由于衍射损耗的缘故，谐振腔选择了某一种模式，并使它最后稳定下来作为输出激光的模式，而许多其它模式则始终不能达到阈值条件，当然也就不能形成雪崩式的激光输出，输出激光的振荡的稳定模式，所谓稳定，是指光波的振幅和位相在空间的分布是不随时间变化的（当然频率也是确定的），因此，当激光器以一定的振荡模式输出激光时，显而易见，这种激光具有很好的空间相干性。反之，如果没有衍射，当然也就没有对不同模式的不同的衍射损耗，就会有许多模式同时达到阈值条件，同时形成激光输出，那就不可能有光波的振幅和位相在空间分布的稳定性，当然就不具备好的空间相干性。

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【激光的特点】
（一）定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光...

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【激光的特点】
（一）定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
（二）亮度极高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。
（三）颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
（四）相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。
闪光时间可以极短。由于技术上的原因，普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=10-15秒）。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。

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