激光原理知识——激光频率与单色性关系

　　在可见光范围内，光波的颜色与“频率”有关，一个光源发射的光所包含的波长范围越窄， 它的颜色就越单纯，即光源的单色性越好。单色性常用Δλ/λ(或Δν/ν)来衡量，其中λ和v分别为辐射波的中心波长和频率，Δλ和Δν是谱线的宽度。

　　自然光是由波长范围较宽的光构成的，比如太阳光经棱镜分光后，可以观察到由多种颜色组成的光谱带，如图1- 5所示。激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，如图1—6所示。

　　白光通过棱镜分光

　　图1 5 白光通过棱镜分光 图1 6 激光与自然光谱线的比较

　　单色光又叫“光谱线”，理论上来说，单色意味着光波中只含有一个波长。实际上，激光的谱线也不是理想的光谱线，而是在中心波长附近有一定的宽度，即具有有限的谱线宽度Δλ，如图1—7所示。

　　理论与实际的激光带宽

　　图1—7 理论与实际的激光带宽

　　在普通光源中，单色性最好的是氪同位素86(Kr86)灯发出的波长λ=605. 7nm的光谱线，在低温下，其谱线半宽度Δλ=0.47×10-6肛m，单色性程度为Δλ/λ=l0-6量级。而单模稳频的氦氖激光器发出的波长λ=632. 8nm的光谱线，其谱线半宽度Δλ<10-12μm，输出激光的单色性可达Δλ一l0-10～l0-13量级。可以说，激光是世界上发光颜色最单纯的光源。一般来讲，单模稳频气体激光器的单色性最好;固体激光打标机的单色性较差，主要是因为工作物质增益曲线很宽，难以保证单纵模工作;而半导体激光器的单色性最差。

　　利用激光的高单色性，可以极大地提高各种光学干涉测量方向的精度和测量长度。如果测量长度的精密度要求很高，用米尺、游标卡尺、千分尺等都无法满足要求时，就需要用光波的波长作单位来测量长度，由于光波波长很短，精密测量就很准确。这种“光尺”能够准确测量的最大长度取决于光的单色性，单色性越好，准确测量的最大长度就越大。用激光作为标准的长度、时间和频率标准的稳定性也大大提高。在激光单色性基础上发展起来的“拍频技术”，可以极精密地测定各种移动、转动和振动速度。此外，利用激光的单色性还可对各种物理、化学、生物等过程进行高选择性的光学激发，达到对某些过程进行深入研究和控制的目的。