波长 Wavelength

2022-11-03 11:27:40 浏览:237

定义

平面波的空间周期。

最简单的波是单色平面波,由以下复波振幅描述,是空间位置x和时间t的函数:

波矢量,其幅度为波数k,角频率ω。 波数决定了波长,定义为波的空间周期(例如,后续振荡最大值之间的距离,见图1):

图1:平面波,波长用中间的黑色尺子表示。

请注意,在光谱学中,波数通常被认为是波长的倒数,不涉及因子2π。

当在x方向上传播一个波长时,平面波获得2π的相位延迟。

波长和频率相互关联:当波在一个振荡周期内传播一个波长时,其相速度c由下式给出:

对于波包,还有另一种速度,称为群速度,如果存在色散,即相速度对频率的依赖性,则可能会偏离相速度。

请注意,对于具有不同空间分布的波 - 例如,对于强聚焦激光束,振幅是位置的函数通常不是(或不完全)周期性的,并且后续波最大值之间的间距可能在某种程度上偏离波长,波长始终是为平面波定义的。 另请参阅关于Gouy相移的文章,它本质上是高斯光束与平面波的相位偏差进行比较。

波长和颜色

单色光根据其波长以某种颜色出现。 不幸的是,计算机屏幕不能产生单色光,而只能大致接近特定波长的视觉印象。 这已在图 1 中完成,在不同的计算机屏幕上显示会有所不同。

图2:不同波长的近似颜色。

与颜色感知相关的数量有客观的定量测量;请参阅有关比色法的文章。

光波:真空波长和介质中的波长

如果单色光波随后通过不同的透明介质传播,则其波长将发生变化,而其光学频率ν保持不变。 因此,通过其光学频率来表征这种波是最自然的。 然而,由于历史原因,更常见的是用光波(光)在空气中的波长来表征光波(光)(对于标准压力和温度:1013.25毫巴,15°C,零湿度)。 然而,在某些情况下,真空波长是指定的。 空气中的波长非常接近真空波长,因为空气的折射率仅略高于1;微小的差异与大多数应用程序无关。 例如,1000 nm 的真空波长对应于空气中的 999.7259 nm。

对于给定的真空波长λ0,折射率为n的介质中的波长为λ = λ0 / n. 通常,折射率取决于光学频率或真空波长(→色色散)。

对于可见光,真空波长大致在 400 nm 到 700 nm 之间;可见光谱区域没有精确定义的边界,因为人眼的灵敏度是波长的平滑函数,并且因人而异。 真空波长较长的光称为红外光,而波长较短的光称为紫外线。

如果某些物理量取决于光学频率,则通常称为波长相关而不是频率相关,即使空间方面在相关现象中不起作用。

此外,通常根据波长范围的宽度而不是频率范围来指定光带宽(例如,激光增益介质的增益带宽)。 对于波长和频率范围之间的转换,需要记住,频率间隔的宽度不仅取决于相应波长间隔的宽度,还取决于平均波长:δν= (c/λ2)δλ(假设间隔较小)。

光学波长的测量

光学波长可以用波长计测量,波计是一种干涉仪。 从测量的光学频率和光的真空速度间接评估波长可以更加精确,因为可以以极高的精度测量光学频率,并且光的真空速度现在(在SI系统中)是一个定义的量,即没有任何测量误差。

波长标准

通常使用某些光谱灯作为相当准确的波长标准。 此外,还有依赖于更复杂的技术的光学频率标准,其中获得的波长要精确许多数量级。

非单色光

在许多情况下,光不是单色的,而是表现出相当大的光带宽。 然后,通常有兴趣确定峰值波长或基于光谱“重心”的平均波长。

在某些情况下,需要知道光功率如何在不同的波长或光学频率上分布。 这可以通过光谱分析仪来实现,理想情况下提供精确定义的功率谱密度(PSD)与频率波长的关系。 例如,这种数量的单位可以是W/nm或W/THz。

光学波长的重要性

光的波长与许多现象有关。 一些例子:

  • 光的波长越长,其衍射倾向越强,即光束(例如激光束)的扩展趋势。 由于光波长非常短,许多激光器发射的衍射极限光束可以表现出相当小的光束发散,即在很远的距离上传播而不会显着增加光束面积。 波长在其他衍射现象中也相关,例如衍射光栅。
  • 波长是任何干涉现象的基本量。 由于光学波长相当短,光学干涉仪通常需要非常高的机械稳定性,因为即使是亚微米级的传播长度变化也会大大改变干涉条件。
  • 许多光学非线性只有在实现相位匹配的情况下才会产生重大影响。 相位匹配条件包含所涉及的光束的波长,而不仅仅是光学频率。

在许多其他情况下,实际上无关的量是光学频率,这当然与波长有关。 例如,激光活性离子的光泵浦中的共振效应会导致强烈的频率依赖性。 波长本身远大于原子或离子,与这些无关。

特殊类型的波长

在光学和光子学中,有许多不同的术语涉及“波长”一词。 一些例子:

  • 光源的发射波长是发射光的真空波长(或空气中的波长)。
  • 布拉格反射镜的布拉格波长是该反射率最高的真空波长。
  • 波导的截止波长是真空波长,超过该波长,引导模式将不复存在。
  • 零色散波长是光纤群速度色散经常消失的真空波长。
  • 例如,波长调谐是指修改激光器的发射波长(光学频率)。
  • 波分复用是一种在时域运行的多路复用技术,常用于光纤通信。

参考文献

[1] R. Paschotta, "Wavelength or optical frequency, what is the better specification?"

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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