激光相干性的研究及實驗測量.doc

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1、激光相干性的研究及實驗測量摘要：激光相干技術起源于上個世紀。激光具備了一些普通光源所不具有的特殊性質，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的研究和激光相干性的基本性質、基本概念、以及激光相干性實驗測量來展開討論研究的。通常我們可以將激光進行擴束，然后將其應用到邁克爾干涉儀上從而來達到觀測干涉條紋從而對激光的相干性進行實驗研究。關鍵詞：激光；相干性；擴束：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54激光相干性的實驗研究64.1邁克爾遜干涉儀64.2使用擴束玻璃做激光相干性實驗74.3其它儀器的激光相干性實驗85小結8參考文獻：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，比如高方向性、高亮度性、高單色性，高相干性等等，其實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。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這些特

3、殊性質，從而達到更好的應用激光相干性技術的目的。1.2激光相干性研究的現(xiàn)狀在過去的將近一個世紀的時間，激光相干技術正在邁著穩(wěn)健的步伐前行著，這是一部宏大的科學發(fā)展史。20世紀40年代，來自前蘇聯(lián)的巴索夫和來自美國的湯斯首次實現(xiàn)了MASER。20世紀50年代湯斯開創(chuàng)新思路用開放式光學諧振替代了舊有的封閉振腔諧。激光產(chǎn)業(yè)是人類科學技術的創(chuàng)新與發(fā)展，事實上在現(xiàn)實生活中激光以及激光相干技術已經(jīng)發(fā)揮了越來越大的作用，比如防偽、通訊、醫(yī)學、檢驗、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

4、列。放眼未來，激光及激光相干技術既具備了廣闊的發(fā)展空間，又充滿了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。2激光基本原理2.1激光產(chǎn)生的基理當原子、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，這種光被稱作激光。愛因斯坦曾指出：光與物質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

5、發(fā)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)目與處在能級上的原子數(shù)目成正比，用公式表達為:（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

6、級狀態(tài)的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.愛因斯坦關系（4）公式（4）就是愛因斯坦關系，它科學的解釋了電子學載波技術應用在低頻段成功的原因和應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。2.2激光產(chǎn)生的條件一、粒子數(shù)反轉在熱平衡狀態(tài)下的黑體腔的物質在各個能

7、級上的粒子數(shù)密度全部遵從玻爾茲曼統(tǒng)計分布。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，要實現(xiàn)（即），就必須使物質打破熱平衡進入非熱平衡狀態(tài)。這就是粒子數(shù)反轉的條件。這樣當光通過非熱平衡狀態(tài)下的物質時受激輻射就會遠遠大于受激吸收過程，這就是激光產(chǎn)生的物理基礎。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