Как измерить ширину очень узкого спектрального пика без дорогостоящих приборов?

Чтобы измерить ширину лазерной линии, вы можете построить интерферометр Майклсона с регулируемой длиной пути одного луча. Измерьте контраст интерференционных полос как функцию разности длин пути. Ширина линии обратно пропорциональна диапазону разницы длин пути, в котором вы можете видеть полосы. Таким образом, одночастотный лазер будет давать полосы на расстоянии в несколько метров при разнице длины оптического пути, в то время как дешевый гелий-неоновый лазер будет давать видимые полосы только при разнице длины оптического пути примерно в 30 сантиметров. Тот диапазон разности длин пути, в котором получаются высококонтрастные полосы, называется длиной когерентности. Ранние фиолетовые диодные лазеры имели длину когерентности всего миллиметр или около того. Теперь можно купить диодные лазеры с многосантиметровой длиной когерентности.

Редактировать: Иногда ошибочно утверждается, что длина когерентности равна или зависит от длины полости. Это по большей части ерунда. Лазерный резонатор любой фиксированной длины может поддерживать только определенные моды колебаний, среда генерации будет усиливать только конечный диапазон длин волн, а зеркала резонатора будут эффективно отражать только определенный диапазон длин волн. Все эти факторы вместе ограничивают режимы колебаний, влияющие на выходной пучок. Чем больше мод на выходе, тем шире ширина линии лазера; и чем шире ширина линии, тем короче длина когерентности. Если в выходной сигнал вносит вклад только одна мода колебаний, лазер является одночастотным и имеет очень большую длину когерентности: часто порядка десяти метров и более.

Еще одно обстоятельство может ограничить число мод, дающих вклад в выходной пучок: эталон в резонаторе. Эталон – это, по сути, плоская стеклянная пластина. Сам эталон будет эффективно пропускать только определенные длины волн света, в зависимости от толщины пластины и угла падения луча. Когда эталон находится в резонаторе лазера и настроен (наклонен) точно на одну из «естественных» мод лазера, только эта мода будет усиливаться, и лазер будет выдавать одну частоту с многометровой длиной когерентности. В диодном лазере с высокоточным резонатором длина резонатора может быть настолько малой, что поддерживается только одна оптическая мода. В этом случае диодный лазер выступает в роли собственного эталона и выдает одночастотный пучок.

Иногда утверждают, что причиной малой длины когерентности в лазере являются «случайные фазовые сдвиги». Это отчасти правда, но в основном ошибочно. Если бы можно было измерить мгновенную фазу лазерного луча с конечной длиной когерентности, фаза действительно быстро менялась бы. Может даже показаться, что вариация случайна. Однако изменение фазы может быть связано с наличием в луче нескольких наложенных компонентов (мод) длины волны/частоты. По сути, изменение фазы будет происходить при сочетании частот, соответствующих разности частот между различными модами, излучаемыми лазером. Это далеко не случайно. Конечно, все, что изменяет модовую структуру лазера, например, температурный дрейф, будет медленно изменять частотную составляющую лазера.

Итог: измерьте длину когерентности вашего лазера, и это даст вам представление о ширине линии. См. на этом веб-сайте формулу для расчета ширины линии по длине когерентности.