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1、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11.1 激光相干性研究目的和意义11.2 激光相干性研究的现状12 激光基本原理12.1 激光产生的基理12.2 激光产生的条件32.3 激光产生的原理43 激光
2、相干性的描述43.1 激光时间相干性43.2 激光空间相干性53.3 激光的相干光强54 激光相干性的实验研究64.1 迈克尔逊干涉仪64.2 使用扩束玻璃做激光相干性实验74.3 其它仪器的激光相干性实验85 小结8参考文献：9致谢：91 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
3、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
4、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 图一 能级跃迁图 一、自发辐射自发辐射是和辐射场无关的，它指处于高能级状态的原子会自发的向低能级状态级跃迁，并且每次跃迁过程中都会有一个能量为的光子被发射出，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
5、射跃迁图单位时间、单位体积，从能级向能级能级跃迁过程中的原子总数目与处在能级上的原子数目成正比，用公式表达为: （1） 公式（1）中的为自发辐射系数。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，从能级向能级能级跃迁过程中的原子总数目和处在能级上的原子数目成正比，同时原子总数目还和频率为的激励光的能量密度成正比，用公式表示为 （2）公式（2）中的为受激辐射系数。三、受激吸收 同样，在辐射场的作用下，处于低能级状态的
6、原子可以吸收一个能量为的光子同时原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向高能级能级跃迁过程中的原子总数目和处在能级上的原子数目成正比，同时原子总数目还和频率为的激励光的能量密度成正比，用公式表示为 （3）式（3）中的表示受激吸收过程中的受激吸收系数。4.爱因斯坦关系 （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
7、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（即，如，则）。在光频段，要实现（即），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。二、F-P开腔开腔就是指去掉闭腔的大部分腔壁，只保留面对的两个反射镜构成光腔。这样做的目的是让沿轴线反射的光波起振，去除其它光波产生的影响。用两块平行的反射镜就可以构成最简单的理想光学谐振腔，一块镜面镀高反射材料对激光进行全反射，另一块镀半反半透材料对激光进行透射。2.3
8、 激光产生的原理通过上述讲解可知，要想产生激光，粒子数反转和F-P开腔是必不可少的两个相互独立的条件，如果我们将这二者加以结合（即将反转介质放入F-P开腔），这样便构成了最基本的激光器构型。 把激光介质放入光学谐振腔，再为其配备泵浦系统这样就就构成了激光器，如图五。工作原理：通过泵浦系统可以将激光介质变为增益介质，增益介质可以实现粒子数反转，从而产生光放大。在轴线方向上，光学谐振腔可以选择需要频率的光对其进行放大，相对将其它光波抑制，在光学谐振腔中轴向光波来回传播从而形成强激光束，强激光束就可以通过半反半透镜面输出腔外。工作在自激振荡的状态的放大器可以确保在激光器中存在稳定的激光，在光学谐振腔
9、中使用镜面的反射率小于1的半反半透镜面可以使激光器保持稳定的激光输出。 泵浦系统激 光 介 质激光束光学谐振腔 图五 激光器的基本结构3 激光相干性的描述3.1 激光时间相干性时间相干性讲的是在同一地点的不同时刻光之间的相干程度，用其相干时间来度量时间相干性。我们可以通过光源的光谱宽度和光源中心频率的比值来表示激光的单色性。激光的时间相干性和激光的单色性是密切相关的，激光的相干时间激光的相干时间为和是成反比例关系的，用公式表示为 ，即激光的单色性越高，则相干时间越长。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。激光的单色性好坏是由激光器的纵模结构、模式的频带宽度和频率稳定性
10、共同决定的。但是在实际情况中，振动、温度、激励、气流等都会使影响到光学谐振腔的频率。实验表明，激光的单色性和激光器的类型密切相关。由差到好依次为半导体激光器，固体激光器，气体激光器。3.2 激光空间相干性空间相干性讲的是在不同一地点的同一时刻光之间的相干程度，用其相干体积来度量空间相干性。相干体积可以相应的用如下公式表示： （6）通常用空间指向性来描述激光的的空间方向性，激光空间指向性好坏可以用激光光束发散角的大小来表示。普通光源几乎没有空间指向性，然而受激辐射的集中性却使的从激光器输出的激光束几乎是零发散角的（即，具有良好的指向性）。激光的指向性和激光的空间相干性是密切相关的。激光的空间相干
11、性是由横模结构决定的。当激光为单横模结构时，激光的光波场在同一模式内就会具有空间相干性，单横模本身又具有很好的空间指向性。这就意味着激光的方向性越好，空间相干性就越好，即激光是高度相干的。实验表明，激光的方向性和激光器的类型密切相关，由差到好依次为半导体激光器，固体激光器，He-Ne激光器，气体激光器。3.3 激光的相干光强 激光本身具有很高的光子简并度这是因为它的能量可以集中在少数模式中，激光的这一性质是普通光源所不具备的，我们将激光的这一特点称之为高亮度（强相干光）。光源的单色亮度可以定义为：在单位立体角、单位频带宽度、单位截面内激光器发射的光频率的数值。用公式表达为 (7) 对于基横模单
12、模激光器，(7)式可以写为 (8) P为激光束的功率，A激光束的截面积，是远场发散角，激光线宽（是由增益决定的有源腔中光子的寿命）。由于激光是完全相干的，它的发散角和截面积满足。若假设在单位时间内激光器从该模式输出的光子数是，且考虑到在时间内这些光子可以全部输出，则可以得到在这一模式中光子的总数为 （9） 由式（7）（8）（9）可得 （10） 综上，光子的简并度和光源的单色亮度是成正比的，正是因为激光具有良好的方向性和单色性才使得激光具有极高的单色亮度和光子简并度。4 激光相干性的实验研究4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪的原理图如图六，光路图如图七。图六 迈克尔逊干涉仪原理图 图七 迈克尔
13、逊干涉仪光路图图六中和是两块完全相同的玻璃板。作为分光板，在它的背面镀有半透半反的物质。作为补偿板，它的目的是让光线和穿过玻璃板的次数相同, 以免它们所经过的路程不等而引起较大的光程差（光束和穿过玻璃板的次数是不相同的，光束穿过了三次玻璃板，光束穿过一次玻璃板，这样会导致二者光程差的变化。补偿板的引入对的光光程做了补偿，从而消除了光程差）。与是两块完全相同的平面镜。固定, 可做微小方向调整。、与、成45度角。工作原理：光源S发出的光, 射到后，一部分发生反射，射向，被反射后, 穿过向E处传播；另一部分透过向传播,被反射后再次穿过 , 被反射向E处传播。当两列波相遇时就会发生干涉现象，我们可以通
14、过E处的光检测器来观察干涉条纹。在干涉过程中，两束光的光程差如果是波长的整数倍，我们观察到的就是强光信号；两束光的光程差如果是半波长的奇数倍，我们看到的就是弱光信号。当两平面镜平行时得到的是等厚干涉直条纹，当 两平面镜垂直时得到的是等倾干涉圆环形条纹。4.2 使用扩束玻璃做激光相干性实验在实验室，用常规方法做激光干涉实验通常会观察不到干涉条纹，这是由于激光的相干长度比较长照成的。要想观察到干涉条纹，我们可以通过扩束玻璃对激光进行扩束，扩束后我们就可以观察到干涉条纹了。在对激光进行扩束时发现的问题：一、用两块扩束玻璃对激光进行扩束：接收屏上观察到干涉条纹，但是不清晰。当将靠近干涉仪的扩束玻璃移向
15、另一块扩束玻璃时，条纹比之前变得清晰了。实验现象图八所示。图八 用两块扩束玻璃进行扩束时的干涉条纹 二、在两块扩束玻璃中插入第三块进行扩束：接收屏上观察到的干涉条纹变清晰，但是条纹的亮度变暗。当我们插入越多扩束玻璃，干涉条纹就会越清晰，但亮度会越来越低。所以扩束玻璃的数目适当就好。实验现象如图九所示。图九 用多块扩束玻璃进行扩束时的干涉条纹3、 在利用激光束的外缘光线观察干涉条纹：当不加扩束玻璃将激光束的外缘打到了迈克尔干涉仪上时，在接收屏上可以观测到清晰的干涉条纹。实验现象如图十所示。图十 用激光外缘光线时观察到的干涉条纹 实验的相关解释：激光是原子受激辐射产生的，同种原子发射出的光波频率和
16、相位都相同，所以具有很好的相干性。直接将激光打到迈克尔干涉仪上，在接收屏上是形不成干涉条纹的，但是当我们使用了扩束玻璃后，可以将平行的光波列发散成散开的光波列，它们就不会那么密集，同时也有了光程差。当这些光波列再次到达迈克尔逊干涉仪上时，在接收屏上就可以观察到干涉条纹了。对于激光的外缘光线，它们本来就已经是发散的光波了，所以不需要再加扩束玻璃就可以直接在接收屏看到清晰的干涉条纹。4.3 其它仪器的激光相干性实验 当使用针孔滤波器和准直镜做激光相干性实验时，在迈克尔干涉仪上也同样也可以观察到明显的干涉条纹。针孔滤波器在这里是将激光会聚成一个小点，近似成理想点光源产生的球面波。准直镜可以将发散光束
17、变成平行光束。他们都是通过减少散射光通过来达到减少干扰。实验的原理如图十一所示：图十一 针孔滤波器和准直镜激光相干性实验5 小结从上述分析可得，激光具有高方向性、高亮度性、高瞬时性、高单色性和高相干性，事实上它们分别描述了激光能量在频率上、时间上、以及空间上的高度集中性。具体来说，高时间相干性就是激光高单色性的表现、高空间相干性就是高方向性的表现、高相干体积就是高相干性的表现。 参考文献：1周炳琨等编著.激光原理(第六版)M.北京:国防工业出版社,2008.2高以智等编著.激光原理学习指导M.北京:国防工业出版社,2006.3刘继芳等编著.激光原理与技术M.北京：科学出版社,2010. 4刘晨
18、. 物理光学M. 合肥:合肥工业大学出版社, 2007.5吕乃光.傅里叶光学(第2版). 机械工业出版社.20086邓植仁编著.光学M.哈尔滨工业大学出版社.7高文琪等编著.光学M.南京大学出版社.8刘建科.光的相干性的商榷.陕西科技大学学报.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-Hil
19、l Book Co.,1971.致谢：上文通过对激光的产生、原理、性质进行了分析和论述，从而达到较容易理解激光相干性原理的目的。在论文的撰写过程中，无论是选题还是写作高彩云老师对我提供了很大的帮助。同样实验室的老师和朋友们也同样为论文的早日完成提供了大力的支持与帮助。在此对大家表示衷心的感谢！The reserch on laser coherence and its experimental measurementAbstract: The technology of laser coherence originates in the last century. Laser has some
20、 special properties which common light does not have, such as high directivity, high brightness, high monochromaticity,and high coherence.The paper is based on the high coherence propertiy of laser.Through the study of the basic characteristics and the basic concept, properties, and experiment of la
21、ser coherence,we spread the discussion. Often we can make the laser beam expander, and then apply it to the Michael interferometer to achieve observation on coherence of a laser interference in order to perform experimental research. Key words: laser; Coherence; Beam expander; Michael interferometer