激光的谱线宽度

测量激光谱线线宽一．实验目的加深了解法布里—泊罗标准具的多光束干涉原理；加深了解频域—时域对应测量的基本方法；掌握谱线线宽的测量方法。

二．实验内容掌握线宽测量光路的调整方法，掌握CCD系统在线宽测量上的应用；测量单频He-Ne 激光器的线宽；测定F-P标准具的精细常数。

三．实验原理1．F-P标准具多光束干涉原理使用F—P干涉仪测量He-Ne激光器谱线线宽的光路如下图1所示：图1：F—P干涉仪测量He-Ne激光器谱线线宽光路示意图激光束经凸透镜L1扩束，投射到F—P标准具上，F—P标准具将不同角度入射的光束变换为一组一组方向不同的平行光，换言之，某一角度入射的光线，经标准具两面多次反射之后，变成与光轴成某一角度的一组平行光，各组平行光经过透镜L2聚焦在L2焦平面不同半径位置上，形成一系列同心干涉条纹。

透镜L2实际为CCD前的镜头。

F—P是多光束干涉仪，其原理如图2所示：图2：多光束干涉原理图由多光束干涉计算结果表明：F—P腔标准具对于不同的波长的光波有不同的透射T：T=I出I0=T1T2V(1−RV)2+4RV∙sin2(K∙L′)（1）其中,I0：入射光强、I出：出射光强、r1：第一面的反射率、r2：二面的反射率、t1：第一面的透射率、t2：第二面的透射率、v：标准具内衰减系数、λ：波长、L：标准具厚度、α：折射角、L’ = Ln (n为玻璃折射率)，R1=r12，R2=r22。

2．F-P标准具透过率T透射率T为极大值的条件即为：sin2(K×L′)=0,K×L′=mπ,m=1,2,3…即：2L’cosθ=mλ（2）3.自由光谱区当入射光为单色光时F—P仪的频谱是一系列的投射峰，相应地在屏空间上形成多级干涉条纹。

当射入光具有一定带宽时，当频率最小υ1的m级与频率最大υ2的m+1级重合时，Δυ=υ2−υ1即为仪器的自由光谱区。

Δυ=c2L‘cosθ(3)4. 标准具的透过率谱线宽度标准具的透过率谱线宽度δυ，即透过率为最大值的一半时所对应的频率宽度，在垂直入射近似下：T max=T1T2v (1−Rv)212T max =T 1T 2v 2(1−Rv )2=T 1T 2V (1−RV)2+4RV ∙sin 2[(K ∙L ′)+12δ(K ×L′)]联立解得：δυ=Δυ(1−RV)π=ΔυΔv π(4)5．精细常数标准具的精细常数有下式决定：F =Δυδυ（5）精细常数越大，标准具的分辨率越大。

激光原理_名词解释⼀名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。

α为包括放⼤器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。

2. 线型函数：引⼊谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表⽰线型函数的中⼼频率，且有+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ?时下降⾄最⼤值的⼀半。

按上式定义的v ?称为谱线宽度。

3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原⼦所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。

4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，⼏个满⾜阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中⼼频率0v 的⼀个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制⽽熄灭的现象。

5. 谐振腔的Q 值:⽆论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采⽤品质因数Q 值来标识腔的特性。

定义p v P w Q ξπξ2==。

ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。

v 为腔内电磁场的振荡频率。

6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有⼀凹陷，称作兰姆凹陷。

7. 锁模：⼀般⾮均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持⼀定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是⼀列时间间隔⼀定的超短脉冲。

这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。

8. 光波模：在⾃由空间具有任意波⽮K 的单⾊平⾯波都可以存在，但在⼀个有边界条件限制的空间V 内，只能存在⼀系列独⽴的具有特定波⽮k 的平⾯单⾊驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。

9. 注⼊锁定：⽤⼀束弱的性能优良的激光注⼊⼀⾃由运转的激光器中，控制⼀个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。

（分为连续激光器的注⼊锁定和脉冲激光器的注⼊锁定）。

《激光原理与技术》习题一班级 序号 姓名 等级一、选择题1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1=eV 。

-7-6 -5 -4 （A ）1.24 ×10(B) 1.24 × × (D) 1.24 ×10 (C) 1.24 10 102、若掺 Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为cm -1 。

（A ）6000(B) 6500(C) 7000(D) 100003、波长为 λ9=632.8nm 的 He-Ne 激光器，谱线线宽为 Δν =1.7 ×Hz10。

谐振腔长度为 50cm 。

假设该腔被半径为 2a=3mm 的圆柱面所封闭。

则激光线宽内的模式数为 个。

（A ）6 (B) 100 (C) 10000(D) 1.2 10×94、属于同一状态的光子或同一模式的光波是.(A) 相干的(B) 部分相干的(C) 不相干的 (D) 非简并的二、填空题1、光子学是一门关于、 、 光子的科学。

2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从统计分布。

3、设掺 Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为 10ms ，则其谱线宽度为 。

三、计算与证明题81．中心频率为 5×10 MHz 的某光源，相干长度为 1m ，求此光源的单色性参数及线宽。

2．某光源面积为 10cm 2，波长为 500nm ，求距光源 0.5m 处的相干面积。

13．证明每个模式上的平均光子数为。

exp( hv / kT ) 1《激光原理与技术》习题二班级姓名等级一、选择题1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm，等于W。

（A ）1×10-6× -3(C) 30(D) -30(B) 1 102、激光器一般工作在状态 .(A) 阈值附近(B) 小信号(C) 大信号(D) 任何状态二、填空题1、如果激光器在=10 μm输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是。

标题：632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度解析一、引言在现代科技领域中，激光技术一直扮演着重要的角色。

而氦氖激光器作为其中一种重要的激光器，其工作物质的多普勒宽度更是一个重要的研究课题。

本文将从浅入深，逐步探讨632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度，并尝试共享个人对这一主题的理解和观点。

二、多普勒效应的基础知识多普勒效应是指当光源和观察者相对运动时，波的频率随源和接收器之间的相对速度而变化的现象。

对于激光器而言，其工作物质的多普勒宽度即表示了由于分子或原子热运动所引起的频率的展宽。

三、632.8nm氦氖激光器的原理和结构632.8nm氦氖激光器是一种重要的氦氖激光器，其工作原理是利用氦和氖气体在放电激发下产生激光。

这种激光器通常被应用于干涉测量、医疗设备、激光打印等领域。

在其工作过程中，多普勒效应对激光的频率稳定性和谱线宽度都会产生影响。

四、多普勒宽度对632.8nm氦氖激光器的影响由于工作物质分子或原子的热运动，氦氖激光器发出的激光会存在多普勒频率展宽的现象。

而多普勒宽度的大小将决定激光的频率稳定性和激光谱线的宽度。

研究和理解632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度对于提高激光器性能至关重要。

五、632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度的测量与控制为了减小多普勒宽度对激光器的影响，必须对其进行准确的测量和控制。

目前，研究人员常常采用光学共振腔或其他光谱学方法来测量氦氖激光器的多普勒宽度，并尝试通过调节激光器结构或工作条件来控制多普勒宽度的大小。

六、个人观点与总结个人认为，深入研究632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度对于提高激光器的性能和应用具有重要意义。

而在实际应用中，测量和控制多普勒宽度的技术将对激光技术的发展起到积极的推动作用。

在本文中，我们从多普勒效应的基础知识入手，逐步介绍了632.8nm 氦氖激光器的原理和结构，分析了多普勒宽度对激光器性能的影响，并探讨了多普勒宽度的测量与控制。

2.2谱线的增宽光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对后面要讲的激光的增益、模式、功率等许多激光器的输出特性都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。

2.2.1光谱线、线型和光谱线宽度由于原子发光是有限波列的单频光，因而仍然有一定的频率宽度。

实际上使用分辨率很高的摄谱仪来拍摄原子的发光光谱，所得的每一条光谱线正是这样具有有限宽度的。

这意味着原子发射的不是正好为某一频率0ν(满足021h E E ν=-)的光，而是发射频率在0ν附近某个范围内的光。

实验还表明，不仅各条谱线的宽度不相同，就每一条光谱线而言，在有限宽度的频率范围内，光强的相对强度也不一样。

设某一条光谱线的总光强为0I ，测得在频率ν附近单位频率间隔的光强为()I ν，则在频率ν附近，单位频率间隔的相对光强为0()I I ν，用()f ν表示，即0()()I f I νν=(2-8)实验测得，不同频率ν处，()f ν不同，它是频率ν的函数。

如以频率为横坐标、()f ν为纵坐标，画出()f νν-曲线如图2-3(a)所示。

()f ν表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布，称做光谱线的线型函数，它可由实验测得。

图2-3光谱的线型函数(a)实际线型(b)理想线型为便于比较，图2-3(b)画出了理想情况的单色光的相对光强分布。

对比(a)、(b)两图，明显看出，理想的单色光只有一种频率，且在该频率处的相对光强为1，即光强百分之百集中在此频率。

这种情况实际上是不存在的，实际情况如图2-5(a)，光强分布在一个有限宽度的频率范围内。

相对光强在0ν处最大，两边逐渐减小，0ν是谱线的中心频率。

现在讨论频率为ν到ν+d ν的频率间隔范围内的光强，它应该是在ν附近单位频率间隔内的光强()I ν乘以频率宽度d ν，即为()I d νν，同时，它也应等于光谱线总光强0I 与频率ν附近d ν范围的相对光强()f d νν的乘积。

所以0()()I d I f d νννν=(2-8)图2-5(a)中曲线下阴影面积为0()()I d f d I νννν=，表示频率在ν－ν+d ν范围的光强占总光强的百分比。

第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。

2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。

理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。

(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。

4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。

（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。

5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。

6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。

自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。

7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。

非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。

小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。

8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。