多普勒效應(yīng)的寬帶原理及其應(yīng)用

多普勒效應(yīng)的寬帶原理及其應(yīng)用

一、多普勒效應(yīng)的本質(zhì)

１８４２年，多普勒發(fā)現(xiàn)，光源與接受器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光譜線的位移，這就是人們常稱的多普勒效應(yīng)。１００多年過(guò)去了，多普勒效應(yīng)已獲得廣泛應(yīng)用，但多普勒效應(yīng)的本質(zhì)是什么，卻無(wú)人做出過(guò)正確而全面的回答。

兩個(gè)物理系統(tǒng)Σ和Σ'，Σ'相對(duì)于Σ以速度ｕ運(yùn)動(dòng)。接收器放在Σ中的ｐ點(diǎn)。在Σ中用λ、Т、υ、ｔ分別表示波長(zhǎng)、周期、頻率、

時(shí)間。在Σ'中分別用λ'、 Ｔ＇、υ＇、τ表示波長(zhǎng)、周期、頻率、時(shí)間。 在τ＝ｔ＝０時(shí)，Σ'和Σ重合。當(dāng)Σ'以速度ｕ開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，處在Σ'中的光源發(fā)出一束光波，傳播方向與ｕ的運(yùn)動(dòng)方向相同。根據(jù)相對(duì)論原理，在這種情況下的時(shí)空關(guān)系是

（１） 其中Ｌ＇＝ｃτ，Ｌ＝ｃｔ 當(dāng)Σ'的運(yùn)動(dòng)方向與光的傳播方向相反時(shí)，相對(duì)論原理給出的時(shí)空關(guān)系是 （２） （１）式和（２）式表明，相對(duì)論效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)空伸縮，從而使在時(shí)空中傳播的光波的波長(zhǎng)，會(huì)被拉長(zhǎng)或壓縮，這就是多普勒效應(yīng)的本質(zhì)。

二、多普勒效應(yīng)的寬帶原理

物質(zhì)總是處在相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的，即便是宏觀靜止的物體，而在微觀領(lǐng)域內(nèi)原子分子的運(yùn)動(dòng)也是永遠(yuǎn)存在的，氣體的原子分子微觀運(yùn)動(dòng)尤其顯著。激光光源是原子的量子躍遷發(fā)出的光輻射，即

（３） 考慮到躍遷損耗時(shí)，（３）式修正為 （４） ｈ為普朗克常數(shù)，ｒｍ和ｒｎ對(duì)應(yīng)量子躍遷時(shí)的衰減系數(shù)。

任何物質(zhì)中的原子（分子、離子）的微觀運(yùn)動(dòng)都是無(wú)規(guī)則的，但服從麥克斯韋速度分布規(guī)律。然而多普勒效應(yīng)主要是發(fā)生在光傳播的選定方向上，對(duì)于這個(gè)選定方向來(lái)講，原子分子的速度大小和方向是不一樣的，所以從原子（分子）中輻射出來(lái)的光，受相對(duì)論效應(yīng)時(shí)空伸縮的影響，波長(zhǎng)是不一樣的，表現(xiàn)為一定寬度的頻帶，這就是所謂多普勒加寬。

多普勒效應(yīng)加寬了激光的頻帶，而且是非均勻加寬。當(dāng)光通道中傳輸非相干光時(shí)，根據(jù)光的獨(dú)立傳播特性，可以各行其道，互不干擾，進(jìn)行多路信息傳送。

三、多模傳輸

光纖通信，在長(zhǎng)距離的信息傳送中，采用的是單模傳輸。高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，迫切需要遠(yuǎn)距離傳輸多種信息，能不能在原有光纜中，傳送多模信息呢？這是一個(gè)極有價(jià)值的研究問(wèn)題。激光振蕩器可以在一個(gè)頻率或多個(gè)頻率上產(chǎn)生振蕩，取決于與縱模間隔相關(guān)的增益曲線寬度。

在多普勒加寬譜線的１／２極大值范圍內(nèi)，有四個(gè)縱模振蕩。假設(shè)我們?cè)诠饫w中遠(yuǎn)距離同時(shí)傳送這四個(gè)縱模，各帶自己的信息，是大有可為的。由于頻差會(huì)產(chǎn)生不同的損耗，可由摻雜效應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)。

四、燒孔現(xiàn)象的產(chǎn)生及處理方法

多普勒效應(yīng)導(dǎo)致非均勻加寬，在增益--頻率曲線上出現(xiàn)因損耗而色絡(luò)在一些振蕩上下陷的現(xiàn)象，稱為"燒孔"。一臺(tái)激光器，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)光腔振蕩器。光腔振蕩器從減小損耗和模的穩(wěn)定性發(fā)考慮，以圓錐曲面鏡諧振腔為好。

激光的產(chǎn)生，源于原子中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)，如果Ｅ２＞Ｅ１，Ｎ２＞Ｎ１，這就是高能帶Ｅ２上的粒子數(shù)Ｎ２，大于低能帶Ｅ１上的粒子數(shù)Ｎ１，Ｅ２上的粒子數(shù)就會(huì)向Ｅ１躍遷，同時(shí)輻射出光。

（５） 當(dāng)Ｎ２－Ｎ１減小時(shí)，放在諧振腔中的介質(zhì)將發(fā)生倒空現(xiàn)象，導(dǎo)致增益下降，產(chǎn)生燒孔。燒孔現(xiàn)象又稱拉姆效應(yīng)。 孔的寬度由下式?jīng)Q定 （６）

縱模間隔為： （７） ｄ為激光腔長(zhǎng)度，△υＮ為諧振曲線１／２高度處的最大寬度。Ｉ為輻射強(qiáng)度，Ｉ０為飽和參數(shù)。 在多模傳輸?shù)募す馇恢�，為了提高輸出功率，要使燒孔互相搭接，即（６）式和（７）式相等�?/p>

（８） 若設(shè)，△υＮ＝１０８赫，激光諧振腔的長(zhǎng)ｄ應(yīng)為 燒孔現(xiàn)象雖然使增益有所下降，但實(shí)現(xiàn)搭接后，提高了輸出的穩(wěn)定性，可用來(lái)起穩(wěn)模作用。

五、鎖模激光器

如果一個(gè)激光器中，有多個(gè)不同的波振蕩，而且位相δｎ也不相同，這些波便不會(huì)相干。假設(shè)在這些模中，在微擾作用下，有幾個(gè)波變?yōu)橥耆�相同，它們相互作用，�?dǎo)致相同的相對(duì)相位δ，即

δｎ＝δ （９） 這種激光器稱為鎖模激光器。鎖模激光器可以輸出短時(shí)間的強(qiáng)大的峰值功率，其值可高達(dá)１０９瓦以上，有重大的應(yīng)用價(jià)值。氣體激光器有最顯著的多普勒效應(yīng)，做鎖模激光器很合適。

多普勒效應(yīng)在光通信中的應(yīng)用，是有廣闊前途的，有待人們廣泛、深入地研究和發(fā)展。