激光的單色性和時間相干性ppt課件

1、激光的單色性和時間相干性,一、（激）光的單色性,同一原子從E2躍遷至E1，發(fā)出頻率為的光,實(shí)際上，光譜線總有一定的頻率寬度,這是由于原子能級總有一定的寬度引起的,圖示為一條光譜線的光強(qiáng)按頻率的分布,在不同的頻率d內(nèi)，光強(qiáng)是不同的，用g()表示這種分布，則,所以g()應(yīng)滿足,g()是以頻率為橫坐標(biāo)，光的相對強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，來描述光譜線的，成為光譜線的線型函數(shù),1,光譜線的頻率寬度,越窄，光的單色性就越好,普通光源中，氪同位素86（Kr86）燈發(fā)出波長=605.7nm的光譜線的單色性最好,單模穩(wěn)頻氦氖激光器發(fā)出=632.8nm的光譜線,二、激光的時間相干性,若同一光源在不同時刻發(fā)出的光在空間會合后能

2、發(fā)生干涉，則稱這兩部分光具有時間相干性，這兩時刻之差c稱相干時間,2,結(jié)合邁克爾遜干涉儀分析,若是理想單色光,M2移動半個波長，屏幕光強(qiáng)交替變化一次,當(dāng)光譜線有一定寬度時（），會有什么影響呢？,3,畫出邊緣兩波長的光在屏幕出的亮度隨光程差的變化情況,考慮從 到 的每一波長的情況,4,當(dāng)光程差達(dá)到某個數(shù)值max時，,波長為 的第K+1個強(qiáng)度峰值與波長為 的第K個強(qiáng)度峰值將重疊在一起,從此以后，光程差再增加屏幕處則不能觀察到合成強(qiáng)度的明暗交替現(xiàn)象了。,5,因此，波長寬度為的光能夠在屏幕形成合成強(qiáng)度明暗交替的條件是：,稱為最大光程差,因?yàn)?由上式得,6,可見，光譜線波長一定時，其越窄，max越長,對

3、Kr86,對HeNe Laser,相干長度和相干時間,進(jìn)一步討論最大光程差max的物理意義,在邁克爾遜干涉儀中，當(dāng)光程差一旦超過max，這兩光束就不再相干了,因此，max也稱為相干長度，記為max=Lc,光通過相干長度所需要的時間稱為相干時間，記c,因?yàn)?則,7,表明，光譜線的頻率寬度越窄，相干時間就越長,在邁克爾孫干涉儀中，兩束光線的光程差為，這相當(dāng)于兩光束是由同一光源在不同時刻t1和t2先后發(fā)出的,若 Lc，則 t2 - t1 c ，這兩束光就是相干的。,所以，由同一個光源在相干時間c內(nèi)不同時刻發(fā)出的光，經(jīng)過不同的路程相遇，將能產(chǎn)生干涉。,光的這種相干性，稱為時間相干性,8,三、激光的空間

4、相干性,從面積為A的光源發(fā)出的，并且通過與光源相距R且與傳播方向垂直的面上相距不超過d的兩點(diǎn)的光，在空間再度會合時，如能發(fā)生干涉，則稱空間這兩點(diǎn)的光具有空間相干性,討論狹縫寬度對干涉的影響,9,當(dāng)2l逐漸增大時，可以看到屏上的明暗條紋逐漸模糊起來,當(dāng)2l增大到一定程度時，屏上的明暗條紋將模糊到完全分不清了。即觀察不到干涉現(xiàn)象。,當(dāng)狹縫寬度2l較大時，應(yīng)分別考慮從下分中央s0到至邊緣各點(diǎn)各自發(fā)出的光線。,每一點(diǎn)發(fā)出的光都會在屏幕上因干涉形成一套明暗條紋,如果各套明暗條紋相互錯開，將由于相互重疊以至于變成模糊一片，即觀察不到干涉現(xiàn)象。,下面做定量分析計(jì)算,10,只分別考慮從中央s0和邊緣處s01各

5、自發(fā)出的光線在P點(diǎn)的光程差,由幾何關(guān)系，有,二式相減，得,所以,即,由于01比0多了一個恒定的光程差，所以從這兩點(diǎn)發(fā)出的光在屏上的條紋相互錯開,11,可以看出，當(dāng)滿足,這兩套條紋才不至于明暗重疊,換句話說，當(dāng)狹縫的寬度2l曾大到,時，屏上將變成一片模糊,將,改寫為,并記,則有,（本教材直接給出的條件）,12,如果記,由于2很小，有,代入 得,此式表明，入射光一定時,若張角2=d/R固定，則狹縫寬度2l必小于/2，才能在屏處觀察到干涉條紋,若縫寬2l固定，則張角2必小于/2l，才能在屏處觀察到干涉條紋,光的這種相干性，稱為空間相干性,13,相干面積,當(dāng)滿足,在屏上才能產(chǎn)生干涉條紋,將該裝置繞z軸旋轉(zhuǎn)90，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不變,可引入相干面積Ac,光源面積,由光源面積As內(nèi)各點(diǎn)所發(fā)出的光，經(jīng)過與光源相距R后，并于光源垂直的兩點(diǎn)，如果這兩點(diǎn)在Ac內(nèi)，則通過這兩點(diǎn)的光是想干的,光的空間相干性：,指的是垂直光傳播方向的截面上的空間相干性，是由相干面積來描述的,14,在本教材中,只有從光源面積小于 發(fā)出的光，才能保證在 內(nèi)的光線具有相干性,光源的相干體積Vcs,光子觀點(diǎn),15,光源的相干體積Vcs,相格的空間體積和光源的相干體積相等,-屬于同一光子態(tài)的光子是相干的,（1）相格的空間體積、光波模或光子