光子学与光电子学原荣第3章节光的干涉及衍射

《光子学与光电子学原荣第3章节光的干涉及衍射》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章光的干涉及应用3.1光的干涉及应用3.2光的衍射及应用3.3阵列波导光栅器件3.4光纤转速传感器——光纤陀螺3.5全息技术1尚辅网http://shangfuwang.com/3.1.1从机械谐振到光学谐振干涉就是两列波或多列波叠加时，因为相位关系有时相互加强，有时相互消弱的一种波的基本现象。例如，在水池中，在相隔不远的两处同时分别投进一块石头，就会产生同样的水波，都向四周传播。例如，长L的一根弦线两端被夹住时所作的各种固有振动。2尚辅网http://shangfuwang.com/图3.1.1

2、水池中两列水波的干涉波纹仔细观察两列水波会合处的情景，即可发现其幅度时而因相长干涉增大，时而因相消干涉减小3尚辅网http://shangfuwang.com/图3.1.2一根长为L的绷紧弦线及其三种可能的振动方式在振动弦线中，边界条件要求弦线两端各有一个节点，这意思是说，选择波长时一定要使（3.1.1）4尚辅网http://shangfuwang.com/光的干涉和衍射—激光器和滤波器基础5尚辅网http://shangfuwang.com/图3.1.3法布里珀罗(F-P)谐振腔及其特性不是任意

3、一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只有满足式（3.1.3）的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔模式，如图3.1.3（b）所示。6尚辅网http://shangfuwang.com/法布里-珀罗谐振腔发明家法国物理学家法布里（Fabry,1867~1945）和玻罗（Perot,1863~1925）7尚辅网http://shangfuwang.com/自由频谱范围（FSR）所以对应这些模式的频率是谐振腔的谐振频率式中f是对应基模（m=1）的频率，在所有模式中它的频率最低。两个相邻模式的频率

4、间隔是称为自由频谱范围（FSR）。8尚辅网http://shangfuwang.com/3.1.2法布里-珀罗（F-P）光学谐振器假如谐振腔没有损耗，即两个镜面对光全反射，那么式（3.1.4）定义的频率的峰值将很尖锐。如果镜面对光不是全反射，一些光将从谐振腔辐射出去，峰值就不尖锐，而具有一定的宽度。很显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。9尚辅网http://shangfuwang.com/F-P谐振腔

5、的精细度镜面反射率R越小意味着谐振腔有越大的辐射损耗，从而影响到腔体内电场强度的分布。由式（3.1.4）可知，R越小峰值展宽越大，而且电场强度最大值和最小值的差也越小，如图3.1.4c所示。该图也定义了法布里珀罗谐振腔的频谱宽度，它是单个腔模式曲线半最大值的全宽（FWHM），可用下面式（3.1.7）的简单表达式计算式中F称为谐振腔的精细度，它随谐振腔损耗的减小而增加（因R增加）。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔对频谱宽度的比.10尚辅网http://shangfuwang.com/图3.1

6、.4入射光通过由部分反射镜组成的法布里珀罗谐振腔，其透射光可作为滤波器的输出法布里-珀罗光学谐振腔已广泛应用到激光器、干涉滤波器和分光镜中。11尚辅网http://shangfuwang.com/商用干涉滤波器考虑一束光入射进法布里-珀罗谐振腔，如上图所示。谐振腔由部分反射和透射的两个平板组成，因此入射光束的一部分进入谐振腔。我们知道只有特定腔模的光才能在腔内存在，因为其它波长的光产生相消干涉。于是，假如入射光束中有一个波长的光与腔模中的一个对应，它就可以在腔内维持振荡，因此就产生了透射光束。输出光

7、是腔内光强的一部分。商用干涉滤波器就是基于这种原理，只是两个腔体用一组电介质镜串联组成，其结构更复杂而已，如图3.5.5所示。我们可以调节腔长L来扫描不同的波长，从而实现调谐。12尚辅网http://shangfuwang.com/表3.1.1各种激光器的组成和作用13尚辅网http://shangfuwang.com/3.1.3固体激光器固体激光器主要由工作物质、法布里-珀罗谐振腔和泵浦源组成。工作物质是均匀掺入少量激活离子的光学晶体或光学玻璃。常用的泵浦源有电泵浦源和光泵浦源两类。泵浦源能将工作物

8、质中的粒子从低能级激发到高能级，使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，构成粒子数的反转，这是产生激光的必要条件。处于高能级级的的原子或分子称为受激原子或分子。14尚辅网http://shangfuwang.com/图3.1.7固体激光器的能级系统在构成晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带的电子跃迁到低能带上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出，如图3.1.7所示。15尚辅网http://shangfuwang.com/脉冲固体激