第6章

光源及光调制

6.1

激光器源于光的干涉

科学研究能破除迷信，因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。

——爱因斯坦（A.Einstein）

6.1.1

干涉和谐振普遍存在

干涉（或谐振）就是，在两列波或多列波叠加时，因为相位关系有时相互加强，有时相互削弱的一种波的基本现象。

1.水波干涉

在水池中，从相隔不远的两处，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，仔细观察两列水波会合处的情景，即可发现其波幅时而因相长干涉上涨，时而因相消干涉下降，如图6.1.1所示。这就是波的干涉现象，光作为一种电磁波也有类似的现象。

2.机械共振

在了解光波的干涉现象之前，让我们先回忆一个已知的力学问题。这个力学问题就是：一根长为L的弦线两端被夹住时，其所做的各种固有振动方式，如图6.1.2所示。在振动弦线中，边界条件要求弦线两端各有一个节点，即选择波长λ时一定要使

或者说，由于波长λ要满足式（6.1.1a）被整数化了。弦线的波扰动可用驻波来描述，图6.1.2左上角表示m=3时的驻波情况，其他三个图分别表示m=1，2，3这三种振动方式驻波的振幅函数曲线。

▲图6.1.1 水池中两列水波的干涉波纹

图6.1.2 一根长为L的绷紧弦线及其三种可能的振动方式

3.电谐振

电谐振在电子技术中的应用非常广泛。谐振电路对频率具有选择性，在发送和接收设备中常用于振荡器、滤波器、调谐器和混频器。

在串联谐振回路中，如图6.1.3a所示，电容和电感串联。电容器放电时，电感充电，当电感电压达到最大时，电容放电完毕，电感开始放电，电容开始充电，电路中的损耗由电池补偿，这样往复运动维持的状态，称为谐振。

谐振的实质是串联回路电容中的电场能与电感中的磁场能交替相互转换，此增彼减，相互补偿，但电场能和磁场能总和时刻保持不变。电源只需供给电路中所消耗的电能。

比如收音机就是电谐振的一个典型应用，如图6.1.3b所示，人们在听收音机时，通过转动选台旋钮，可以随意选择所要收听的广播节目。原来，各地的广播电台都按照预先安排好的频率向空中发送无线电波。这些电波看不见、摸不着，可是收音机的天线L

1

会立刻对各种不同频率的电波做出感应。转动选台按钮时，与谐振线圈L相连的可变电容器C也跟着转动。电容器转动到某一个位置，谐振回路就能选择某个频率的电波所产生的微小电流i（f），而其他频率的微小电流则得不到放大，因为谐振频率f= 1/

，由谐振回路的电感和电容值决定。

图6.1.3 电谐振

a）串联谐振电路 b）收音机天线和调谐选台电路

6.1.2

光的干涉——法布里-珀罗（F-P）光学谐振器

法国导师法布里和其中国学生严济慈

法国物理学家夏尔·法布里（Charles Fabry，1867—1945年）曾在巴黎理工学院学习，于1892年获得博士学位。他先后任教于马赛大学和巴黎大学，专门研究光学和光谱学。他是巴黎光学研究所的第一任所长，著有《光干涉的应用》（1923）和《物理学和天体物理学》（1935）。法布里和玻罗（A.Perot）于1897年发明了实用性很强的光学谐振腔，后来人们尊称为法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。

严济慈（1901—1996年），中国物理学家、教育家，中国现代物理研究奠基者之一，曾任中国科学技术大学校长、名誉校长、研究生院院长，中央研究院院士、中国科学院院士。人们尊他为教育宗师、科学泰斗。他是中国光学研究和光学仪器研制工作的重要奠基人，在压电晶体学、光谱学、大气物理学以及光学仪器研制等方面成就卓著。

严济慈1923年大学毕业，赴法国巴黎大学留学，师从物理学家夏尔·法布里。1927年，刚刚当选法国科学院院士的法布里在他首次出席的法国科学院例会上，宣读了在他指导下由严济慈完成的博士论文——《石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究》，这是法国科学院第一次宣读一位中国人的论文。严济慈因此成为世界上第一个精确测定石英压电定律反现象的科学家，也是第一位获得法国国家科学博士学位的中国人。