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第14章现代光学系统

随着光学技术的不断发展，新的光源(激光)和接收器件(r}c})的出现，产生了许多新的光

学系统，本章介绍几种现代光学系统。

14.1激光

}o世纪初爱因斯坦根据量子理论曾预言可能出现一种新的光束。moo年世界上第一台

红

宝石激光器问世，我国也丁1961年成功地研制了红宝石激光器和氦氖激光器，所以中国激

光研

究起步并不算晚。

1。激光

1)激光的特点

激光与普通光源不同，它具有亮度高，方向性、单色性和相干性好等特性，这些特性是

普通光

源发出的光所达不到的。

(均激光的方向性以及高亮度。

任何一个光源总是有一个发光面，并通过发光面向外发光，如口光灯，它的发光面是涂

有荧

光物质的玻璃管，而接电源的两个端面并不向外发光。由于光线是直线传播的，因此可用发

光面

上的每一点向发光方向画出的直线来代表该点发出的光线，并称两光线之间的最大夹角为该

光

源发出光的发散角2B，如图14-1(a)所示。图中CAA与OE之间的夹角最大，故日光灯的

发散角

2B二1800。而激光器则不同，由于它的发光面仅仅是一个端面h的一个圆光斑(以氦氖激光

器为

例，其光斑半径仅为十分之儿毫米)，所以激光器通过这一光斑向外发出的光的发散角2B

0.180，如图14一1(b)仅为毫弧度数量级。

图14一1发散角图

(a)2B=i80;(})2e=}.}s0t,

激光束是在空问传播的圆锥光束，如图14一2所示。可用立体角表示光束发射的情况。

面

积为S的一块球面对Q点所张的立体角为。，等于这块面积S一与球半径R的平方之比，即

S

田二R}

而当9角很小时，其立体角为

。(B})2

}2

=zr6}

当8=1}-3rad,}r=zrxl0-s。这就是说，一般的激光器只向着数量级约为1}-}的}i_体角范

围内输出激光光束。由此可见，激光的方向性比普通光源发出的光好得多。

一个发光面积为dS的光源，在时间d„内向着法线方向上的立体角d。范围内发射的辐

射能

量为d}，则光源表面在该方向卜的亮度L为

d币

dSd,}d}

(14一1)

L为单位面积的光源表面在其法线方向上的单位立体角范围内传输出的辐射功率。从式

(l}一})可以看出，在其他条件不变的情况下，光束的立体角dry越小，亮度越高;发光时间

d}越

短，亮度也就越高。而一般的激光光束的立体角可小至10-}数量级，比普通光源发出的立

体角

小百万倍，因此，即使两者在单位面积上的辐射功率相差不大，激光的亮度也比普通光源高

上百

万倍;并且激光的发光时间很短(如红宝石激光器发一次激光的时间约为1。一4，)，所以光

输出功

率可以很高。

总之，正是由于激光能量在空间和时间上的高度集中，才使得激光具有普通光所达不到

的高

亮度。

[2)激光的单色性和时间相干性。

①激光的单色性。同一种原子从、个高能级Ez跃迁到另一个低能级E，总要发出一条

频率

为。的光谱线。其频率为

E:一E,

Y=一}L-

式中:h=6.6}62}x1}-3`)一为普朗克常数。

实际上，光谱线的频率并不是单一的，总有一定的频率宽度dv，这是由于原子的激发

态总有

一定的能级宽度以及其他原因引起的。在图1}-中，曲线}}Y表示一条光谱线内光的相对强

度按频率，分布的情况。、f(。)称为光谱线的线型函数。不同的光谱线可以有不同形式的f(司

0

若令，。为光谱线的中心频率，当v--u。时，f(。)为极大值，则将,f}v)=0.5f,}}:}}}v)时

所对应的两

个频率，2与。、之差的绝对值作为光谱线的频率宽度}v，即