激光相干性的研究及實(shí)驗(yàn)測量

1、激光相干性的研究及實(shí)驗(yàn)測量摘要：激光相干技術(shù)起源于上個世紀(jì)。激光具備了一些普通光源所不具有的特殊性質(zhì)，如高方向性、高亮度性、高單色性、高相干性。本文以激光的高相干性為研究對象，通過對激光基本性質(zhì)的研究和激光相干性的基本性質(zhì)、基本概念、以及激光相干性實(shí)驗(yàn)測量來展開討論研究的。通常我們可以將激光進(jìn)行擴(kuò)束，然后將其應(yīng)用到邁克爾干涉儀上從而來達(dá)到觀測干涉條紋從而對激光的相干性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。關(guān)鍵詞：激光；相干性；擴(kuò)束：邁克爾干涉儀目錄1 引言11.1 激光相干性研究目的和意義11.2 激光相干性研究的現(xiàn)狀12 激光基本原理12.1 激光產(chǎn)生的基理12.2 激光產(chǎn)生的條件32.3 激光產(chǎn)生的原理43 激光

2、相干性的描述43.1 激光時間相干性43.2 激光空間相干性53.3 激光的相干光強(qiáng)54 激光相干性的實(shí)驗(yàn)研究64.1 邁克爾遜干涉儀64.2 使用擴(kuò)束玻璃做激光相干性實(shí)驗(yàn)74.3 其它儀器的激光相干性實(shí)驗(yàn)85 小結(jié)8參考文獻(xiàn)：9致謝：91 引言1.1 激光相干性研究目的和意義 激光具有一些普通光源所不具備的性質(zhì)，比如高方向性、高亮度性、高單色性，高相干性等等，其實(shí)可以將激光的這種特性簡單的概括為激光是一種高度簡并的光子。本文主要對激光的相干性做出研究，具體包括時間相干性、空間相干性、相干光強(qiáng)。在這些研究中激光相干性是最主要的研究對象，通過對激光相干性的研究我們就可以更加直觀的理解和掌握激光的

3、這些特殊性質(zhì)，從而達(dá)到更好的應(yīng)用激光相干性技術(shù)的目的。1.2 激光相干性研究的現(xiàn)狀在過去的將近一個世紀(jì)的時間內(nèi)，激光相干技術(shù)正在邁著穩(wěn)健的步伐前行著，這是一部宏大的科學(xué)發(fā)展史。20世紀(jì)40年代，來自前蘇聯(lián)的巴索夫和來自美國的湯斯首次實(shí)現(xiàn)了MASER。20世紀(jì)50年代湯斯開創(chuàng)新思路用開放式光學(xué)諧振替代了舊有的封閉振腔諧。激光產(chǎn)業(yè)是人類科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，事實(shí)上在現(xiàn)實(shí)生活中激光以及激光相干技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了越來越大的作用，比如防偽、通訊、醫(yī)學(xué)、檢驗(yàn)、印刷、軍事、全息拍照等等。走在世界激光前列的國家主要有美國、日本、德國等，如今的我國也激光方面的發(fā)展也取得了重大的突破，正在逐步邁入了激光大國的行列。放

4、眼未來，激光及激光相干技術(shù)既具備了廣闊的發(fā)展空間，又充滿了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2 激光基本原理2.1 激光產(chǎn)生的基理 當(dāng)原子、離子、分子等受到一定頻率的能量激發(fā)時會產(chǎn)生的一種特殊的光，這種光具有不發(fā)散和高相干的性質(zhì)，這種光被稱作激光。 愛因斯坦曾指出：光與物質(zhì)相互作用包含三種情況：一、自發(fā)輻射，二、受激輻射，三、受激吸收。假設(shè)原子只有兩個能級，那么在原子中發(fā)生能級躍遷時如圖一所示有 圖一 能級躍遷圖 一、自發(fā)輻射自發(fā)輻射是和輻射場無關(guān)的，它指處于高能級狀態(tài)的原子會自發(fā)的向低能級狀態(tài)級躍遷，并且每次躍遷過程中都會有一個能量為的光子被發(fā)射出，這種輻射被稱為自發(fā)輻射。躍遷過程如圖二所示。 圖二 自發(fā)輻

5、射躍遷圖單位時間、單位體積，從能級向能級能級躍遷過程中的原子總數(shù)目與處在能級上的原子數(shù)目成正比，用公式表達(dá)為: （1） 公式（1）中的為自發(fā)輻射系數(shù)。二、受激輻射同樣，在輻射場的作用下，當(dāng)激勵光的頻率滿足波爾條件時處于高能級的原子會向低能級躍遷，并且躍遷過程中都會有一個能量為的光子被發(fā)射出，這種輻射被稱為受激輻射。躍遷過程如圖三所示。圖三 受激輻射躍遷圖 單位時間、單位體積，從能級向能級能級躍遷過程中的原子總數(shù)目和處在能級上的原子數(shù)目成正比，同時原子總數(shù)目還和頻率為的激勵光的能量密度成正比，用公式表示為 （2）公式（2）中的為受激輻射系數(shù)。三、受激吸收 同樣，在輻射場的作用下，處于低能級狀態(tài)的

6、原子可以吸收一個能量為的光子同時原子時會躍遷到一個高能級的狀態(tài)，這種情況被稱為受激吸收。躍遷過程如圖四所示。圖四 受激吸收躍遷圖單位時間、單位體積，當(dāng)原子吸收能量從低能級向高能級能級躍遷過程中的原子總數(shù)目和處在能級上的原子數(shù)目成正比，同時原子總數(shù)目還和頻率為的激勵光的能量密度成正比，用公式表示為 （3）式（3）中的表示受激吸收過程中的受激吸收系數(shù)。4.愛因斯坦關(guān)系 （4） 公式（4）就是愛因斯坦關(guān)系，它科學(xué)的解釋了電子學(xué)載波技術(shù)應(yīng)用在低頻段成功的原因和應(yīng)用在光頻段失敗的原因，從而為激光器的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。2.2 激光產(chǎn)生的條件一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡狀態(tài)下的黑體腔內(nèi)的物質(zhì)在各個能級上的粒子數(shù)

7、密度全部遵從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。用公式表示為 （5）熱平衡的狀態(tài)下的高能級上原子數(shù)密度通常是小雨低能級上原子數(shù)密度的，可用公式表示為（即，如，則）。在光頻段，要實(shí)現(xiàn)（即），就必須使物質(zhì)打破熱平衡進(jìn)入非熱平衡狀態(tài)。這就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。這樣當(dāng)光通過非熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)時受激輻射就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受激吸收過程，這就是激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。二、F-P開腔開腔就是指去掉閉腔的大部分腔壁，只保留面對的兩個反射鏡構(gòu)成光腔。這樣做的目的是讓沿軸線反射的光波起振，去除其它光波產(chǎn)生的影響。用兩塊平行的反射鏡就可以構(gòu)成最簡單的理想光學(xué)諧振腔，一塊鏡面鍍高反射材料對激光進(jìn)行全反射，另一塊鍍半反半透材料對激光進(jìn)行透射。2.3

8、 激光產(chǎn)生的原理通過上述講解可知，要想產(chǎn)生激光，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和F-P開腔是必不可少的兩個相互獨(dú)立的條件，如果我們將這二者加以結(jié)合（即將反轉(zhuǎn)介質(zhì)放入F-P開腔），這樣便構(gòu)成了最基本的激光器構(gòu)型。 把激光介質(zhì)放入光學(xué)諧振腔，再為其配備泵浦系統(tǒng)這樣就就構(gòu)成了激光器，如圖五。工作原理：通過泵浦系統(tǒng)可以將激光介質(zhì)變?yōu)樵鲆娼橘|(zhì)，增益介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光放大。在軸線方向上，光學(xué)諧振腔可以選擇需要頻率的光對其進(jìn)行放大，相對將其它光波抑制，在光學(xué)諧振腔中軸向光波來回傳播從而形成強(qiáng)激光束，強(qiáng)激光束就可以通過半反半透鏡面輸出腔外。工作在自激振蕩的狀態(tài)的放大器可以確保在激光器中存在穩(wěn)定的激光，在光學(xué)諧振腔

9、中使用鏡面的反射率小于1的半反半透鏡面可以使激光器保持穩(wěn)定的激光輸出。 泵浦系統(tǒng)激 光 介 質(zhì)激光束光學(xué)諧振腔 圖五 激光器的基本結(jié)構(gòu)3 激光相干性的描述3.1 激光時間相干性時間相干性講的是在同一地點(diǎn)的不同時刻光之間的相干程度，用其相干時間來度量時間相干性。我們可以通過光源的光譜寬度和光源中心頻率的比值來表示激光的單色性。激光的時間相干性和激光的單色性是密切相關(guān)的，激光的相干時間激光的相干時間為和是成反比例關(guān)系的，用公式表示為 ，即激光的單色性越高，則相干時間越長。和普通的光源比，激光的D是很小的，所以可知，激光具有高度相干性。激光的單色性好壞是由激光器的縱模結(jié)構(gòu)、模式的頻帶寬度和頻率穩(wěn)定性

10、共同決定的。但是在實(shí)際情況中，振動、溫度、激勵、氣流等都會使影響到光學(xué)諧振腔的頻率。實(shí)驗(yàn)表明，激光的單色性和激光器的類型密切相關(guān)。由差到好依次為半導(dǎo)體激光器，固體激光器，氣體激光器。3.2 激光空間相干性空間相干性講的是在不同一地點(diǎn)的同一時刻光之間的相干程度，用其相干體積來度量空間相干性。相干體積可以相應(yīng)的用如下公式表示： （6）通常用空間指向性來描述激光的的空間方向性，激光空間指向性好壞可以用激光光束發(fā)散角的大小來表示。普通光源幾乎沒有空間指向性，然而受激輻射的集中性卻使的從激光器輸出的激光束幾乎是零發(fā)散角的（即，具有良好的指向性）。激光的指向性和激光的空間相干性是密切相關(guān)的。激光的空間相干

11、性是由橫模結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)激光為單橫模結(jié)構(gòu)時，激光的光波場在同一模式內(nèi)就會具有空間相干性，單橫模本身又具有很好的空間指向性。這就意味著激光的方向性越好，空間相干性就越好，即激光是高度相干的。實(shí)驗(yàn)表明，激光的方向性和激光器的類型密切相關(guān)，由差到好依次為半導(dǎo)體激光器，固體激光器，He-Ne激光器，氣體激光器。3.3 激光的相干光強(qiáng) 激光本身具有很高的光子簡并度這是因?yàn)樗哪芰靠梢约性谏贁?shù)模式中，激光的這一性質(zhì)是普通光源所不具備的，我們將激光的這一特點(diǎn)稱之為高亮度（強(qiáng)相干光）。光源的單色亮度可以定義為：在單位立體角、單位頻帶寬度、單位截面內(nèi)激光器發(fā)射的光頻率的數(shù)值。用公式表達(dá)為 (7) 對于基橫模單

12、模激光器，(7)式可以寫為 (8) P為激光束的功率，A激光束的截面積，是遠(yuǎn)場發(fā)散角，激光線寬（是由增益決定的有源腔中光子的壽命）。由于激光是完全相干的，它的發(fā)散角和截面積滿足。若假設(shè)在單位時間內(nèi)激光器從該模式輸出的光子數(shù)是，且考慮到在時間內(nèi)這些光子可以全部輸出，則可以得到在這一模式中光子的總數(shù)為 （9） 由式（7）（8）（9）可得 （10） 綜上，光子的簡并度和光源的單色亮度是成正比的，正是因?yàn)榧す饩哂辛己玫姆较蛐院蛦紊圆攀沟眉す饩哂袠O高的單色亮度和光子簡并度。4 激光相干性的實(shí)驗(yàn)研究4.1 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的原理圖如圖六，光路圖如圖七。圖六 邁克爾遜干涉儀原理圖 圖七 邁克爾

13、遜干涉儀光路圖圖六中和是兩塊完全相同的玻璃板。作為分光板，在它的背面鍍有半透半反的物質(zhì)。作為補(bǔ)償板，它的目的是讓光線和穿過玻璃板的次數(shù)相同, 以免它們所經(jīng)過的路程不等而引起較大的光程差（光束和穿過玻璃板的次數(shù)是不相同的，光束穿過了三次玻璃板，光束穿過一次玻璃板，這樣會導(dǎo)致二者光程差的變化。補(bǔ)償板的引入對的光光程做了補(bǔ)償，從而消除了光程差）。與是兩塊完全相同的平面鏡。固定, 可做微小方向調(diào)整。、與、成45度角。工作原理：光源S發(fā)出的光, 射到后，一部分發(fā)生反射，射向，被反射后, 穿過向E處傳播；另一部分透過向傳播,被反射后再次穿過 , 被反射向E處傳播。當(dāng)兩列波相遇時就會發(fā)生干涉現(xiàn)象，我們可以通

14、過E處的光檢測器來觀察干涉條紋。在干涉過程中，兩束光的光程差如果是波長的整數(shù)倍，我們觀察到的就是強(qiáng)光信號；兩束光的光程差如果是半波長的奇數(shù)倍，我們看到的就是弱光信號。當(dāng)兩平面鏡平行時得到的是等厚干涉直條紋，當(dāng) 兩平面鏡垂直時得到的是等傾干涉圓環(huán)形條紋。4.2 使用擴(kuò)束玻璃做激光相干性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室，用常規(guī)方法做激光干涉實(shí)驗(yàn)通常會觀察不到干涉條紋，這是由于激光的相干長度比較長照成的。要想觀察到干涉條紋，我們可以通過擴(kuò)束玻璃對激光進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后我們就可以觀察到干涉條紋了。在對激光進(jìn)行擴(kuò)束時發(fā)現(xiàn)的問題：一、用兩塊擴(kuò)束玻璃對激光進(jìn)行擴(kuò)束：接收屏上觀察到干涉條紋，但是不清晰。當(dāng)將靠近干涉儀的擴(kuò)束玻璃移向

15、另一塊擴(kuò)束玻璃時，條紋比之前變得清晰了。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖八所示。圖八 用兩塊擴(kuò)束玻璃進(jìn)行擴(kuò)束時的干涉條紋 二、在兩塊擴(kuò)束玻璃中插入第三塊進(jìn)行擴(kuò)束：接收屏上觀察到的干涉條紋變清晰，但是條紋的亮度變暗。當(dāng)我們插入越多擴(kuò)束玻璃，干涉條紋就會越清晰，但亮度會越來越低。所以擴(kuò)束玻璃的數(shù)目適當(dāng)就好。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖九所示。圖九 用多塊擴(kuò)束玻璃進(jìn)行擴(kuò)束時的干涉條紋3、 在利用激光束的外緣光線觀察干涉條紋：當(dāng)不加擴(kuò)束玻璃將激光束的外緣打到了邁克爾干涉儀上時，在接收屏上可以觀測到清晰的干涉條紋。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖十所示。圖十 用激光外緣光線時觀察到的干涉條紋 實(shí)驗(yàn)的相關(guān)解釋：激光是原子受激輻射產(chǎn)生的，同種原子發(fā)射出的光波頻率和

16、相位都相同，所以具有很好的相干性。直接將激光打到邁克爾干涉儀上，在接收屏上是形不成干涉條紋的，但是當(dāng)我們使用了擴(kuò)束玻璃后，可以將平行的光波列發(fā)散成散開的光波列，它們就不會那么密集，同時也有了光程差。當(dāng)這些光波列再次到達(dá)邁克爾遜干涉儀上時，在接收屏上就可以觀察到干涉條紋了。對于激光的外緣光線，它們本來就已經(jīng)是發(fā)散的光波了，所以不需要再加擴(kuò)束玻璃就可以直接在接收屏看到清晰的干涉條紋。4.3 其它儀器的激光相干性實(shí)驗(yàn) 當(dāng)使用針孔濾波器和準(zhǔn)直鏡做激光相干性實(shí)驗(yàn)時，在邁克爾干涉儀上也同樣也可以觀察到明顯的干涉條紋。針孔濾波器在這里是將激光會聚成一個小點(diǎn)，近似成理想點(diǎn)光源產(chǎn)生的球面波。準(zhǔn)直鏡可以將發(fā)散光束

17、變成平行光束。他們都是通過減少散射光通過來達(dá)到減少干擾。實(shí)驗(yàn)的原理如圖十一所示：圖十一 針孔濾波器和準(zhǔn)直鏡激光相干性實(shí)驗(yàn)5 小結(jié)從上述分析可得，激光具有高方向性、高亮度性、高瞬時性、高單色性和高相干性，事實(shí)上它們分別描述了激光能量在頻率上、時間上、以及空間上的高度集中性。具體來說，高時間相干性就是激光高單色性的表現(xiàn)、高空間相干性就是高方向性的表現(xiàn)、高相干體積就是高相干性的表現(xiàn)。 參考文獻(xiàn)：1周炳琨等編著.激光原理(第六版)M.北京:國防工業(yè)出版社,2008.2高以智等編著.激光原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)M.北京:國防工業(yè)出版社,2006.3劉繼芳等編著.激光原理與技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社,2010. 4劉晨

18、. 物理光學(xué)M. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社, 2007.5呂乃光.傅里葉光學(xué)(第2版). 機(jī)械工業(yè)出版社.20086鄧植仁編著.光學(xué)M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.7高文琪等編著.光學(xué)M.南京大學(xué)出版社.8劉建科.光的相干性的商榷.陜西科技大學(xué)學(xué)報.20059Orazio Svelto.Principle of Lasers.M.4th Ed New York:A Division of Plenum Publishing Corporation,1998.10Siegman A E. An Introduction to laser and Maser. M.New York:McGraw-Hill Book Co.,1971.致謝：上文通過對激光的產(chǎn)生、原理、性質(zhì)進(jìn)行了分析和論述，從而達(dá)到較容易理解激光相干性原理的目的。在論文的撰寫過程中，無論是選題還是寫作高彩云老師對我提供了很大的幫助。同樣實(shí)驗(yàn)室的老師和朋友們也同樣為論文的早日完成提供了大力的支持與幫助。在此對大家表示衷心的感謝！The reserch on laser coherence and its experimental measurementAbstract: The technology of laser coherence originates in th