激光器的線寬

對一個激光器來說，當它在穩(wěn)定工作時，其增益正好等于總損耗。這時的理想情況是：損耗的能量在腔內(nèi)的受激過程中得到了補充，而且在受激過程中產(chǎn)生的光波與原來光波有相同的相位，所以新產(chǎn)生的光波與原來的光波相干疊加，使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定，相應地就有無限長的波列，故線寬應為0。但是，實際上線寬不可能為0，激光的譜線雖然極窄，但仍然有一定的寬度。

首先是內(nèi)部原因：盡管激光器的自發(fā)輻射相對于受激輻射來說是極其微弱的，但它畢竟還是不可避免地存在著，而且在激光器的輸出功率中也貢獻了極其微小的一部分。這樣，激光器的增益就應包括受激過程和自發(fā)過程兩部分的貢獻。在振蕩達到平衡時，激光器內(nèi)的能量平衡，應該是介質(zhì)的受激輻射增益與自發(fā)輻射增益之和等于總損耗，因而受激輻射的增益應略小于總損耗。這樣，對于受激輻射的相干光來說，每一個波列都有一定的衰減，正是這種衰減造成了一定的線寬。另一方面，腔內(nèi)自發(fā)輻射又產(chǎn)生一列一列前后相位無關的波列，這些波列和相干的波列的光強相疊加，使腔內(nèi)的光強保持穩(wěn)定。這樣一些一段一段的互相獨立的自發(fā)輻射的波列也要造成一定的線寬。以上兩方面的因素造成了由于存在自發(fā)輻射而引起的激光線寬。如下圖所示，曲線1是衰減的相干光的譜線，曲線2是自發(fā)輻射本身的譜線，譜線3是總的譜線。

如果激光器的輸出功率增大，就說明腔內(nèi)輻射場的能量密度也變大了，而受激輻射幾率是正比于輻射場能量密度的，而自發(fā)輻射的幾率卻不變，因此受激輻射所占的比例相應地增大，激光振蕩譜線的寬度也相應地變窄。這就是說增大激光器的輸出功率可以減小由于自發(fā)輻射引起的激光線寬。因為自發(fā)輻射在任何激光器中都存在，所以這種因素造成的激光線寬無法排除，也就是說這種線寬是消除了其他使用各種使激光線寬增加的因素后，最終可達到的最小線寬，稱為線寬極限。

影響激光穩(wěn)定性的一些因素，諸如溫度的波動、機械的振蕩、損耗的波動、空氣濕度的變化等是產(chǎn)生激光線寬的外部原因。因為當激光的頻率不穩(wěn)定而發(fā)生變化和漂移時，激光振蕩就不會是等幅的連續(xù)的正弦振蕩，它必然會形成一定的頻率分布，因而會出現(xiàn)一定的譜線寬度。實驗表明，穩(wěn)頻度較高的He-Ne激光器輸出的譜線寬度大約為幾十Hz的數(shù)量級，普通的He-Ne激光器可達10的4次方Hz的數(shù)量級，而固體激光器和半導體激光器的譜線寬度更寬，一般都在10的6次方Hz以上。

審核編輯 黃宇