激光器的线宽极限

激光具有良好的单色性，但它的频率是否绝对单一呢？我们将这一问题来作一个简单的分析。由于激光线宽的理论计算值和它的实际线宽相差甚远，所以只是对激光线宽作一定性的说明，而不再进一步做定量的理论计算。

理论上是说普通光源发光的谱线是具有一定的宽度的。造成线宽的原因有很多，其中最主要是:能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度;发光粒子之间的碰撞造成了诺线的碰撞宽度(或压力宽度)；发光粒子的热运动造成日普线的多普勒宽度。这三种情况一般是同时起作用的,实际的谱线线型是它们共同产生的结果。这样的谱线叫作发光物质的荧光谱线,其线宽叫作荧光线宽。

对一个激光器来说，当它在稳定工作时，其增益正好等于总损耗。这时理想情况是:损耗的能量在腔内的受激过程中得到了补充，而且在受激过程中产生的光波与原来光波有相同的相位，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应地就会有无限长的波列，故线宽应为“％”。如果激光器是单模输岀的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽A*范围内的一条“线”，如图3-16所示。

造成激光线宽原因

实际上线宽不可能等于“0”。激光的谱线虽然极窄，但仍然有一定宽度。造成激光线宽的原因是很多方面的。

1. 首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射。而一个实际的激光器，尽管它的自发辐射相对于受激辐射来说是极其微弱的，但它毕竟还是不可避免地存在，而且在激光器的输出功率中也页献有它极其微小的一个份额。这一份额是非相干的辐射功率，而受激辐射过程贡献的则是相干的辐射功率。
2. 激光器的增益就会包括受激过程和门发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时,激光器内的能量是平衡的，也是介质的受激辐射増益与自发辐射增益的和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减，正是这种衰减造成了一定的线宽，这
3. 另-方面,腔内自发辐射又产生列，列前后相位无关的波列,这些波列和相…的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽是问题的一而。
4. 如果激光器的输出功率增大，就说明腔内辐射场的能量密度也变大r,而受激辐射几率是正比于辐射场能量密度的，自发辐射的儿率却不变，因此受激辐射所占的比例相应地増大，激光振荡谱线的宽度也相应地变窄。这就是说増大激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表明此激光线宽和激光器输出功率成反比。
5. 理论计算还指出，单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于1Hzo例如，腔KL=1m,单程损耗七5%，每端输出1mW的He-Ne激光器发出的0.6328呻谱线的宽度约为5x10"Hz,这是个极其微小的线宽。

实验测得的激光线宽远远大于这个数值。这说明造成激光线宽还有其他较自发辐射影响更大的因素。尽管如此，对于自发辐射造成激光线宽的分析还是十分有意义的。因为自发辐射在任何激光器中都存在,所以这种因素造成的激光线宽无法排除。也就是说这种线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽,所以叫作线宽极限。

影响因素

影响激光稳定性的一些因素，诸如温度的波动、机械的振动、大气压力和湿度的变化、空气的对流、损耗的波动、增益的波动，以及荧光中心频率漂移等，是产生激光线宽的外部原因。

因为当激光的频率不稳定而发生变化和漂移时,激光振荡就不会是等幅的连续的正弦振荡，它必然会形成一定的频率分布，因而出现一定的谱线宽度。实验表明，稳频度较高的He-Ne激光器输出的谱线宽度大约为几十Hz的数量级,普通的He-Ne激光器可达约10⁴Hz的数量级（其荧光线宽大约为10⁹Hz的数量级），而固体激光器和半导体激光器的谱线宽度更宽，一般都在IO⁶Hz以上。