准单色光脉冲的构成特点及应用

人们可以测量某种光脉冲或者光波包在给定介质中的实际传播速度。在这种情况下，一种准单色的光脉冲波场可以表示为

式中，E0（z，t）是一个依赖于时间的振幅函数，它可能具有近似于高斯型或双曲正割型分布和一定的脉冲时间宽度，而ω≈ω0，ω0为脉冲频谱的中央频率。

根据物理中的测不准原理或数学上的傅里叶定理，一个具有有限持续时间的光脉冲应该也具有一个有限的（不为零）频谱宽度，如图16-1（a）和（b）所示。在这种情况下，一个准单色光脉冲亦可被看成一个波包，它是由大量具有不同频率和振幅的连续单色光成分构成，如图16-1（c）所示。只有在该波包的峰值时间位置（t0）处，所有单色组分具有相同相位并给出最大的合成振幅；而在其他时间位置，由于这些单色组分之间不同程度的失同相（不同组分有不同相速度），而使得合成后的整体振幅随|t-t0|的增大而下降。

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图16-1　准单色光脉冲的结构和组成

（a）脉冲光强作为时间的函数；（b）脉冲光强作为频率的函数；（c）脉冲场强作为波包，是由大量具有不同频率和振幅的单色组分所构成，只有在峰值位置所有组分同相位而给出最大的合成振幅；（d）波包振幅作为时间的函数是由所有单色组分贡献矢量之和所决定

准单色光波包的构成行为，可以更清楚地通过图16-1（d）所示各单色组分贡献的矢量相加法则而加以说明。这里假设每个光谱分量的贡献可由一个向量表示，向量的长度取决于该光谱分量的相对振幅，而方向则取决于其相对相位。出自所有组分的向量的顺序叠加，就确定了波包在不同时间的位置的合成振幅；而合成矢量的大小，是由连接最后一个组分矢量末端至第一个组分矢量起点的直线长度所决定。如图16-1（d）所示，在一个任意选择的脉冲前沿点（A）处，来自不同单色组分的贡献向量之和给出了一种适中的波包振幅；在波包峰值点（B）处，所有组分的贡献矢量均沿同一个方向相加并给出最大合成振幅；最后，在位于波包末端某一点（C）处，由于出自各组分的贡献相消干涉的结果，使得合成振幅趋于零。