激光器的线宽

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。这时的理想情况是：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，相应地就有无限长的波列，故线宽应为0。但是，实际上线宽不可能为0，激光的谱线虽然极窄，但仍然有一定的宽度。

首先是内部原因：尽管激光器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着，而且在激光器的输出功率中也贡献了极其微小的一部分。这样，激光器的增益就应包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都有一定的衰减，正是这种衰减造成了一定的线宽。另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后相位无关的波列，这些波列和相干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。以上两方面的因素造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽。如下图所示，曲线1是衰减的相干光的谱线，曲线2是自发辐射本身的谱线，谱线3是总的谱线。

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了，而受激辐射几率是正比于辐射场能量密度的，而自发辐射的几率却不变，因此受激辐射所占的比例相应地增大，激光振荡谱线的宽度也相应地变窄。这就是说增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。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使用各种使激光线宽增加的因素后，最终可达到的最小线宽，称为线宽极限。

影响激光稳定性的一些因素，诸如温度的波动、机械的振荡、损耗的波动、空气湿度的变化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，因而会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10的4次方Hz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10的6次方Hz以上。

审核编辑 黄宇