入射光对光谱和空间的影响-基于《非线性光学与光子学》

在本章前面的部分中，所有的公式和讨论都是基于假设入射光是一个单色平面光波。在实际的光学双稳态实验中，入射光一般是具有一定光谱宽度的准平行或者被聚焦的激光束。在这种情况下，所观察到的给定非线性F-P装置的光学双稳态行为，将取决于入射激光的光谱和空间结构。

首先考虑入射光束的空间结构对所能观察到的双稳态行为的影响，根据式（11-15），非线性F-P装置的透射率由以下的相位因子所决定：

式中，δ0是当I0（t→0）=0时的初始相位因子，而Δφ（t）是光诱导的相移。如果入射光是一个非聚焦的准平行激光束，它的初始透射率T（t→0）由δ0值决定，然后随着输入光强的增加，F-P装置的透射率T（t＞0）将以一定的动态方式发生非线性的变化。然而，在整个输入激光脉冲作用期间，透射光束始终保持准平行的状态，在这种意义上来说，所观察到的双稳态行为与探测器在透射光束范围内的横向取样位置无关。因此，可以采用一个透镜收集整个透射光束，如图11-4（a）所示。

图11-4　非线性F-P装置输出信号的检测方式

（a）准平行入射光束；（b），（c）聚焦入射光束

然而，如果入射光是一个聚焦激光束并具较大的会聚角θf，则在透射光束中会有等倾干涉条纹出现。在此情况下，由于入射光脉冲引起的腔内介质的感应折射率变化，将导致输出干涉条纹经历一种脉动式的变化。考虑到透射率是时间t和传播角度θ的函数，观察到的光学双稳态的行为在本质上取决于对透射光束的取样位置和取样区域的范围［14～16］。因此，为更有效地探测输出干涉条纹脉动式的变化，可以采用一个小型针孔光阑，放置在输出光束近场处的某一适当位置如11-4（b）所示，或者放置在输出光束远场处的适当位置如图11-4（c）所示。针孔的开口大小应该与输出干涉条纹宽度相匹配，如果光阑的开口太大而容纳多个条纹，则这些条纹的脉冲式移动因空间平均的结果而无法探测得到。换句话说，实际观察到的光学双稳态行为在很大程度上取决于如何检测透射信号。

当被松散聚焦的入射光束的会聚角，远小于最靠近中心干涉环角宽度（由F-P腔长L决定）的情况时，入射光仍然可以被视为准平行光束。(www.xing528.com)

下面考虑入射激光的光谱宽度对F-P双稳态装置行为的影响。众所周知，在近似垂直入射条件下F-P标准具的光谱分辨本领由下式决定［10］：

式中，Δλ0为标准具可分辨的位于λ0附近两个单色谱线的最小波长间隔，而是标准具的精细因子，它被定义为

如果两个单色入射谱线的波长差别小于Δλ0，则与此两个光谱组分对应的干涉环将相互重叠而无法分辨。实际上，式（11-17）中的Δλ0是由显示在图11-2中周期性曲线的半峰全宽2ε所决定，即

2ε决定了相对于单色入射光而言F-P标准具干涉环的角宽度。

从式（11-17）和式（11-18）可以看出，为实现高的光谱分辨率，需要一个高反射率R和一个较大的腔长L，相同的结论也适用于如何提高非线性F-P装置对检测折射率变化或输出干涉条纹移动的灵敏度。如果入射激光的光谱宽度等于或小于由式（11-17）预测的Δλ0值，则入射光可以被视为一个理想的单色波；但如果入射激光谱线宽度明显大于Δλ0，则输出干涉条纹的角宽度变大，这样一来，对干涉条纹较小的脉动式移动的检测会变得更困难。