以干涉术计算二极体雷射同调长度之研究Coherencelengthoflaser.PDF

以干涉術計算二極體雷射同調長度之研究 Coherence length of laser diodes measured by interferometry 謝忠翰 *江政忠 明新科技大學 明新科技大學 han ccjaing@.tw 摘要 本研究以麥克森干涉儀(Michelson interferometer)為主要架構，使用二極體雷射為光源，以步階 式移動平台平移參考面並記錄移動量，再以 CCD 擷取干涉圖形，使用自行撰寫之 LabVIEW 程式進 行光強度與移動量之分析，計算二極體雷射光源同調長度，此實驗成功量測出二極體雷射同調長度為 203.3μm ，並且與使用光譜儀量測二極體雷射的半高寬同調長度互相比較。 關鍵字：二極體雷射(Laser Diode) 、干涉術(Interferometry) 、同調長度(Coherence length) 壹、 前言 一、 緒論 在 1670 年期間，牛頓以一連串實驗為日後光學的發展奠定了扎實的基礎，其中光色散實驗， 牛頓還發表對於色彩的理論，儘管當時著名的科學家並不支持他的看法，甚至與牛頓爭辯了 好幾年，對於干涉牛頓也有參與其中，由兩鏡面產生的干涉條紋(牛頓環) ，來衡量望遠鏡的 品質，對此波動現象 C. Huyghens 在西元 1690 年又更近一步的解釋[1] ，卻由於與牛頓的想 法對立以及當時科學家對於波動理論接受度不高，阻礙了當時光學的發展。西元 1802 年， T. Young 就以雙狹縫實驗[2] 解開了延續百餘年科學家對於波動理論的迷思，然而光干涉術 真正吸引世人的目光，則是 A. A. Michelson 以其發明的干涉儀做了許多著名的實驗[3] ， 證實了乙太不存在，又奠定了以光波長作為長度單位的想法，也將一公尺定義為光在真空中 299792458 分之一秒間所行走的距離。西元 1960 年 7 月 T. H. Maiman[4]首度發表雷射， 在光學史上立下重要里程碑，使得光干涉術能如此蓬勃發展。 二、 研究動機 雷射在早期應用時雖有高強度、頻寬窄、相干性以及高空間同調性與時間同調性等優點，使 得雷射不僅在物理方面有重大貢獻，在軍事、國防方面也佔有一席之地，但是體積過大、笨 重的問題，始終無法克服。早在 1962 年就有數名科學家與研究團隊投入半導體雷射的研發， 但是只能在低溫下以脈衝模式(pulse mode)操作，因此無法實際應用，到 1970 年期間經過 改良後實現能在室溫下以連續模式(continuous mode)下操作，成為日後許多實際應用中不 可或缺的元件，如光纖通訊、光儲存、光輸出等，且直到 1980 年期間由於製程技術與材料 科技的進步，使二極體雷射的發展邁入成熟期，更多的應用領域被開發出來[5] 。而發光光譜 也持續往電磁波頻譜的兩端邁進，不僅具有一般雷射特性(如單色性、指向性及同調性等)， 還具備了小尺寸、低驅動功率、高光電轉換效率及高調制頻率等優點[6]，而且製作精細、 技術層次高，滿足各種產業的精密度要求，且目前還有很多技術正在研發當中，對於整體光 電產業而言，具有舉足輕重的地位，身為光學工程師或是相關產業的工程師，對於二極體雷 射特性的量測與了解是非常重要的課題 。因此本研究以架設麥克森干涉儀搭配步階式移動平 台，計算此二極體雷射同調長度，並與以光譜儀光譜測量的同調長度相互比較。 1 貳、 研究方法 一、 基本理論 干涉可視為光的一種波動(電磁波)型式，其基本理論是基於電磁波的線性疊加理論，該理論 描述在空間中某一點的