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相干光的特性

点击次数:  更新时间:2016-03-18  【打印此页】  【关闭

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  相于光的性质是难能可贵的,以至前面讲到的那个复杂滤光法也得到实际应用。例如有个名叫盖宝的芙国实验家在二十世纪四十年代试图用相于光制造一台高级显微镜。他耗费了好大的精力,但因光线太弱,最后放弃这个计划。可是在盖宝的实验过程中,他设法用相干光得到一种特殊的图像。他把这种图叫作hologram,即全息像或全息图。这个名称来源于希腊文,意思是“全部信息的图”。等一下我们就会知道其中的奥妙。普通的黑白照片仅仅记录了明与暗,即光的强弱,因而只不过是一张灰度有深浅的照片。但相干光却是一种永远保持其相对相位的波,不仅可以记录光的强度信息,而且还可记录另一种信息,即光源与物体之间的距离,所以用相千光摄制的照片称为全息照片。假若我们在两个物体之间射过一束已知波长的相干光(激光),就可以高度准确地确定它们之间的距离。这种方法的基本原理可从图10看明白。波长乘以波的数目就得出从激光源到物体的准确距离(差不过一个波长)。但要实现这个过程是困难的,还有一种较好的、现在已实际应用的方法,是利用常规的方法测量近似距离,再利用激光束作精确的测量。在这种装置中,激光束分成两部分。一部分保留在仪器中作为参考束,另一部分瞄准反射镜。反射镜将激光束反射回到主设畜上的检测仪。在这仪器内,反射光束自动地与参考束比较。假若这两个光束是同相的(即如果其波峰是重叠的),就会在探测器中合成一束强光束。当反射镜向激光源靠近或离远些,这个光束的强度就会降低,然后再次增加,这是因为两个波的波峰一会丿L同相,一会儿不同相地变动着。仪器计数这种明暗变化的数目,并将反射镜移动的鉅离作为波长的函数显示在控制仪表上。

        因为在这类系统中,这两束波的相互作用称为“于涉”,所以这种测量法叫作于涉量度法。虽然这不是什么新方法,但现在为适应空间技术和微型化的需要,这种方法首先用于机床的精密测量。用激光于涉仪测量,在200英寸距离内,精度为二百万分之一。如此精确的测量数字,在机械加工厂里真是空前的。即使是实验室测釁也只达几英寸范围。在相同的实验室条件下,现在用激光干涉量度法可以检测到10.厘米的运动,这个距离已经接近原子核的尺寸了。假设我们将激光束分成两部分,以其一部分作为参考束对准照相底片,把另一部分对准要拍摄的物体。物体就将一部分激光反射到底片乳胶上。底片上两个波峰相遇的地方就摄下一个暗点;不同位相的地方就摄下一个亮点。换句话说,由于参考波和反射波各自保持其互相间的相对位置,所以我们在记录景物明暗的同时,也记录到距离的信息。底片上的明点和暗点是随着物体的外形和表面而变化的。全息照片(已显影的照相底板)上线条的图形能衍射光线。当相干光(激光或白色点光源的空间相干辐射)从与参考束相同的方向射过这张全息照片时,光线就会衍射。衍射的光正好与拍照时从物体反射来的光线一样。经透镜聚焦后,观察者通过这张全息照片,就可看到一个三维的物体影像,这个影像与全息照片之间的相对位置正好与拍照的时候概括地说,这就是难以置信的全息照相新技术。

        确实,这种陌生的光还可为我们提供许多有益的特性。其中最重要的一项是激光的能量不会向四面八方发散。全部能量集中在从激光器射出的一道窄束里。而且总是那么窄。人们曾把激光射到月球上,激光束从地球传播到月球上只扩展几英里,而最高级的探照灯的光束到达月球时则扩展得比荑球还要宽,它的能量都这样耗散掉了。

由于激光具有能量集中以及频率相干的特点,于是激光被考虑用于通信。一个窄的光束对于空间通信来说是特别重要的,因为这样才能到达遥远的地方。激光还可以聚焦到普通光从来不能聚焦到的程度。在一个近距离内,激光東可以聚焦到只有几个波长那么大的一个圆点。激光的能量可以集中到能钻出一个直径只有0.0002英寸的孔。

     让我们从功率方面看,可聚焦性意味着什么。打个比方,有一位穿高跟鞋的青年妇女,她的体重100磅。每当她迈出一步,她的体重就集中在一只鞋的后跟上。鞋跟面积设为四分之一平方英寸(鞋跟正方形1/2X1/2英寸),那末加在地板上的压力达每平方英寸400磅(4×100)。又如鞋跟只有1々英寸见方,压力就会达到每平方英寸1600磅。

     当然,我们由此可以理解这样一个事实,激光束的相于性使它可能集中在一个很小面积上。因而不管激光器输出的能量多少,其全部能量可集中在一个小点上,在这个小点上有效能量就非常大了。太阳的辐射功率大约每平方厘米6500瓦。瀲光束则已达每平方厘米500兆瓦。但是激光输出功率如此集中,并不完全是由于聚焦而取得的。即使一个非聚焦的激光束,每平方厘米的输出功率也比太阳光强几倍。

       太阳光或某种普通光与激光之间的根本差别在于,激光的能量发射是可控的。我们知道,原子产生普通光时是自发发射的,亦即非可控地闪光。但如果可使原子吸收适当大小的能量并贮存起来,待到我们需要的时候再把它释放,那末我们就可获得受激发射而不是自发发射。这和我们先前讨论无线电放大原理时有类似之处,在那种情况下,一个微弱的无线电信号可以激发一个可利用的电源,使它按这个微弱信号的波长和相位释放能量而形成一个大的信号。

      现在的问题就在于我们如何用这种原理使光也能放大。

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