1.2.2 單色性

在可見光范圍內(nèi)，光波的顏色與“頻率”有關(guān)，一個(gè)光源發(fā)射的光所包含的波長(zhǎng)范圍越窄，它的顏色就越單純，即光源的單色性越好。單色性常用Δλ/λ（或Δν/ν）來衡量，其中λ和ν分別為輻射波的中心波長(zhǎng)和頻率，Δλ和Δν是譜線的寬度。

自然光是由波長(zhǎng)范圍較寬的光構(gòu)成的，比如太陽光經(jīng)棱鏡分光后，可以觀察到由多種顏色組成的光譜帶，如圖1-5所示。激光是由原子受激輻射而產(chǎn)生，因而譜線極窄，如圖1-6所示。

圖1-5 白光通過棱鏡分光

圖1-6 激光與自然光譜線的比較

單色光又叫“光譜線”，理論上來說，單色意味著光波中只含有一個(gè)波長(zhǎng)。實(shí)際上，激光的譜線也不是理想的光譜線，而是在中心波長(zhǎng)附近有一定的寬度，即具有有限的譜線寬度Δλ，如圖1-7所示。

圖1-7 理論與實(shí)際的激光帶寬

在普通光源中，單色性最好的是氪同位素86（Kr86）燈發(fā)出的波長(zhǎng)λ=605.7nm的光譜線，在低溫下，其譜線半寬度Δλ=0.47×10-6μm，單色性程度為Δλ/λ=10-6量級(jí)。而單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)λ=632.8nm的光譜線，其譜線半寬度Δλ＜10-12μm，輸出激光的單色性可達(dá)Δλ/λ=10-10～10-13量級(jí)。可以說，激光是世界上發(fā)光顏色最單純的光源。一般來講，單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好；固體激光器的單色性較差，主要是因?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)增益曲線很寬，難以保證單縱模工作；而半導(dǎo)體激光器的單色性最差。

利用激光的高單色性，可以極大地提高各種光學(xué)干涉測(cè)量方向的精度和測(cè)量長(zhǎng)度。如果測(cè)量長(zhǎng)度的精密度要求很高，用米尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等都無法滿足要求時(shí)，就需要用光波的波長(zhǎng)作單位來測(cè)量長(zhǎng)度，由于光波波長(zhǎng)很短，精密測(cè)量就很準(zhǔn)確。這種“光尺”能夠準(zhǔn)確測(cè)量的最大長(zhǎng)度取決于光的單色性，單色性越好，準(zhǔn)確測(cè)量的最大長(zhǎng)度就越大。用激光作為標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度、時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性也大大提高。在激光單色性基礎(chǔ)上發(fā)展起來的“拍頻技術(shù)”，可以極精密地測(cè)定各種移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)速度。此外，利用激光的單色性還可對(duì)各種物理、化學(xué)、生物等過程進(jìn)行高選擇性的光學(xué)激發(fā)，達(dá)到對(duì)某些過程進(jìn)行深入研究和控制的目的。