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定义：波长小于约400nm的不可见光。

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紫外光是波长小于约400 nm（可见光波长的下限）的光。 

区分不同光谱区域有几种不同的定义： 

1. 近UV光谱区域从400nm-300nm。中UV光从300nm-200nm，而200nm-10nm则属于远UV区域。更短的波长属于极紫外光（EUV）。 
2. 真空UV（约小于200nm）是指真空装置通常采用的波长范围，因为该波长的光能被空气强烈吸收。真空UV包括远UV和极紫外光。 
3. UVA代表波长范围为320-400nm，UVB为280-320nm，UVC为200-280nm。 

UV光具有很多的用途，例如UV消毒水和工具，UV固化胶黏剂，控制许多材料质量和激发荧光。 

目录

1. 紫外光的主要性质
2. 产生紫外光
3. UV光学
4. 安全隐患

紫外光的主要性质 

紫外光在下面两个方面与可见光不同： 

1. 其短波长可以准确聚焦并且产生非常精细结构（假如采用很高空间相干性的光源）。这可以应用到UV光刻技术中，用来制备微电子装置，例如，微处理器和芯片。未来微处理器需要更精细的结构，需要EUV区域的光刻技术。目前正在研发EUV光源和其对应的光阻剂。 
2. 其光子能量比很多物体的带隙能量高。因此，紫外光可以被很多物质吸收，产生的激发过程能引起物质化学结构发生变化（例如，化学键断裂）。这可以用到激光材料加工中（例如，激光刻蚀，脉冲激光沉积，制备光纤布拉格光栅），对水或医学器件消毒杀菌。UV光会损害人类的皮肤，尤其是UVC光具有杀菌作用。当紫外光与空气中的微量烃发生相互作用时可以将有机薄层沉积在附近的表面上；这种光污染会降低UV激光光源中非线性晶体的质量。 

产生紫外光 

激光器产生紫外光面临很多问题，但是还是有一些紫外激光器可以直接产生UV光：一些体激光器（例如，采用掺铈晶体， Ce:LiCAF），光纤激光器，激光二极管（大多数采用GaN），染料激光器，准分子激光器和自由电子激光器。另一种产生紫外光的方式是将近红外激光器的输出光进行非线性频率转换。参阅紫外激光器得到更多细节。 

尤其是在EUV区域，通常采用气体放电（例如，氙气或锡蒸汽）或激光诱导等离子体来产生几瓦特甚至几十瓦特的高功率的UV辐射。但是，这种光源不是相干的。 

有时紫外光不是由激光器产生的。尤其重要的是气体放电灯（例如，水银管），另外发光二极管（UV LEDs）也应用很广泛。 

UV光学 

对待UV光时，需要特殊的UV光学理论。UV应用中重要的材料参数是低泡和夹杂物含量，折射率很好的均匀性，双折射很小，表面很光滑。尤其是应用强UV激光器时，长期抗紫外线强度也很重要。在纯的氟化钙中需要用到UV光学，该材料具有很低的UV吸收，很高的均匀性，低双折射，高硬度（与其它氟化物材料相比），高稳定性和高损伤阈值。可以在低于160nm时使用，因此可用于氟化氩准分子激光器。但是它是易碎的，非各向同性的，并且吸湿。它的替代物是UV级的熔融二氧化硅，可以用于波长小于200nm时，而便宜的标准的熔融二氧化硅在小于260nm时具有很大的损耗。另一个可用的材料是钻石，它在小于230nm时是透明的，但是非常昂贵。 

有些光纤可以用于近紫外光谱区域，但是传播损耗相对比较高。用光纤传输紫外光在波长较短或者功率更高的情况下都是不可行的。 

在EUV区域，几乎所有的固体材料都有强烈的吸收，空气中在小于200nm时也会产生很强的衰减，因此真空UV或EUV用于光刻时需要在真空条件下。布拉格反射镜可以在EUV区域，采用钼/硅（Mo/Si）结构制备，在12nm处可以得到约70%的反射率。由于其反射率有限，因此需要改变EUV光学结构设计得到最小数目的反射表面。 

安全隐患 

紫外光对眼睛（尤其是在250-300nm）和皮肤（尤其在280-315nm）都是有伤害的，它会引起白内障或角膜炎，除了引起色素沉积和红斑外，还会引发皮肤癌。而小剂量不足以引起急性反应的，也会加速皮肤的老化。因此，如果采用UV光工作，尤其是UV激光器，需要特殊的激光防护措施。例如，开放光学装置中的UV光束需要采用一些金属管封闭。

定义：光速在介质中减小的因子。

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透明介质的折射率，是相速度vph相对于真空光速减小的因子： 

这里假设平面波是线性传播的（光强比较低）。折射率通过相速度决定界面处的折射，反射和衍射现象。 

介质中光的波长等于真空波长的n分之一。 

根据材料的相对介电常数 ε 和相对磁导率 μ可以计算其折射率： 

需要注意的是，这里ε和μ是处于光频率时的值，与其在低频时的值差别很大。普通的光学材料的磁导率约为1。 

材料中折射率与光频率或波长有关的现象称为色散。普通的玻璃和晶体（例如，激光晶体）在可见光区域的折射率范围是1.4-2.8，并且波长越短时，折射率会增加（正常色散）。这是以下现象的一个结果，可见光区域（介质具有很大的透射率），在两个强吸收区域之间：紫外光区域光子能量大于带隙，而近红外或中红外光区域会发生振动共振。 

图1：二氧化硅在温度分别为0 °C（蓝色），100 °C（黑色）和200 °C（红色）时折射率（实线）和群速度（虚线）随波长的变化。 

半导体在透明区域具有更大的折射率。例如，砷化镓的折射率在1微米时约为3.5。这是由于当波长小于带隙波长（约870nm）时，发生强吸收现象。高折射率的结果就是菲涅尔反射很强，并且在半导体-空气界面处的全反射角比较大。 

透明光学材料中折射率与波长有关的现象可以由Sellmeier方程描述，方程包含一些经验得到的参数。该方程的拓展版本可以描述温度特性，图1中即采用了这一方程。在非线性晶体材料中发生的非线性频率转换中的相位匹配需要知道折射率随温度和波长变化的具体情况。 

在非各向同性介质中，折射率与偏振方向（参阅双折射）和传播方向（非各向同性）有关。如果介质具有光轴，光在该轴上传播时折射率与偏振方向无关。 

复折射率不仅可以定量表示单位长度的相位变化，还可以表示（虚部）光学增益或传播损耗（例如，由于吸收产生）。 

还有一种折射率为群折射率，可以量化群速度的减小。在共振情况下折射率会与群折射率差别很大，这在有些量子光学实验中可以看到。在群速度非常大或者非常小时会用到（慢光）。 

有些光子超材料（通常包含金属-介电复合材料）可以实现负折射率，最早是在微波区域实现，现在光学领域也得到了。负折射率会引起很多非常规的现象。例如，在真空与该介质界面处的折射光束与入射光束位于法线的同一侧。 

在波导中，每一个传播模式都对应一个有效折射率，与其相速度相关。

定义：将两个偏振激光光束合在一起的技术。

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偏振合束（或者偏振耦合）是将两线偏振激光光束合在一起的技术。 

非相干偏振合束 

非相干合束是较简单的情形。例如，两个大面积的激光二极管的出射光束中，一个是垂直偏振，另一个为水平偏振，将光束射向薄膜偏振片后，一束光被反射，而另一束光透射，并且两束光的传播方向是相同的。因此，可以得到非偏振光束，功率是两入射光束的和（忽略寄生损耗），光束质量与入射光束相同。因此，光束的亮度加倍。 

这一技术通常用于端泵浦固态激光器中。只有当激光晶体可以同时吸收两个方向的泵浦光时才能实现。Nd:YAG就是此种情况，而[[Nd:YVO4]]则不是。 

非相干偏振合束不能认为是功率缩放的方法，因为它不可重复：它需要入射光束是偏振的，但是得到的出射光束是非偏振的。 

相干偏振合束 

如果将两个相干的光束进行偏振合束，可以得到线偏振的输出光。假设两入射光功率是相等的，得到的输出光的偏振态与任一入射光束偏振方向之间的夹角都是 45°。这一方法是相干光束合成的一种。、 

由于出射光是线偏振的，相干偏振合束可以重复多次。因此该技术适宜于功率缩放。 

光子(photons)

定义：光能量的量子。

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当一束很弱的光束进入一个很灵敏的光电探测器，可以发现能量是以小束的形式传播的，而不是连续的。这可以解释成光束包含了一束束的能量，称为量子或者光量子。光子能量为h ν = h c / λ，即普朗克常数h与光频率ν的乘积。在二十世纪，Max Planch处理热辐射问题中就采用了光包含能量束的观点，Albert Einstein在研究光电效应时也利用了这一观点。光子则是在1926年物理化学家 Gilbert N. Lewis定义的。 

将光子看做光的粒子可以帮助理解许多量子现象，但是如果不了解其限制因素则很容易得出错误的结论。现代量子光学给出了非常自洽的、但是不是很简洁的对光的本性的描述。这里将光子看做量子化电磁场的元激发。这一理论框架下光子的性质比较特别，不能采用简单的粒子图像或者纯波动图像来解释。 

光子的一些关键性质 

1. 光的传播（在自由空间或者波导中）实际就是波的传播。某时刻某一点的量子力学场振幅是光所有可能路径的叠加。叠加可能会干涉相长或者相消，这是光学干涉效应的基础。纯粒子图像很难与实验观察相符，例如，在传统的双缝干涉实验中，每一个粒子都会通过其中一条缝，而与另一条缝不相干；但是这无法解释只有当堵住一条缝之后，有些粒子才能到达某一位置，而两条缝都打开时就不能到达该位置的现象（相消干涉）。 
2. 当光与原子或者其它粒子发生相互作用时，只有是光子能量h ν整数倍的能量才能够被光场吸收或者释放。这可以简单的理解为只能吸收或辐射一定数目的光子。只有当作用的粒子（例如原子）能够接收这些能量时，相互作用过程才会发生，即它们量子力学能级间的能级差对应光子能量，或者是光子能量整数倍（参阅双光子吸收）。纯的波动图像将这些能量限制看做共振效应，但是无法解释能量的量子化现象。 
3. 在灵敏的光电探测器中，能量量子化特别明显，可以进行光子计数，即能够探测单光子吸收效应。这在很多的科学和技术领域都有应用。 
4. 光子的静止质量为0，因此不能使其变慢或者静止。存在所谓的慢光现象，是由于电磁场与物质之间强烈的相互作用引起的，因此只有在介质中才存在这种现象。这时并不仅仅是电磁场激发，纯的光子图像不能给出很合理的解释。 
5. 由于光子的泊松特性，多个光子倾向于激发相同模式的辐射场。例如，受激辐射过程中（激光器中很重要）就能发现，还可以在热激发辐射后的能量谱中看到（黑体辐射）。 
6. 光子可以以纠缠态存在，即不同光子的有些性质（例如，偏振）0是相干的，尽管只有当进行测量时这些性质才具有特定的值。由于对不同光子的测量可以发生在不同的位置，这似乎意味着超光速传输信息是可能的（Einstein-Podolsky-Rosen佯谬），但是实际上是不会发生的。 

量子理论不仅能应用到可见光中，它还可以应用到任意的电磁波现象中。但是在射频技术中，量子效应并不像在光学和激光器技术中这么重要。这是因为射电波的光子能量与其室温下的热能相比很小，而光学现象中则刚好相反。 

在激光物理中，常见的现象是光子在介质中传播，例如，透明晶体或者玻璃，以及激光增益介质。这时严格来说称为光子就不合适了，因为电磁波会与介质发生相互作用，因此传播的是准粒子，有时称为极化激元，类似于电磁场的激发态与极化介质耦合的产物。 

定义：将功率或者能量分解成不同波长或者频率。

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光源或者一些光束的光谱（或辐射谱）或者包含了能量和功率在不同波长中分布的信息。通常它是用图表的形式表示，给出了功率谱密度随波长或者光功率之间的关系曲线。图1就是一个例子，给出了超连续光源的数值模拟光谱。单频激光器的光谱不同于图中的宽谱，是由非常窄的线表征，极限情况下线宽仅为1Hz量级，对应的波长范围只有约≈ 3 •10−12 nm（中心波长为1微米）。其它的激光器包含多条线，有的具有很大的带宽（尤其是超短脉冲的锁模激光器），约为100 nm，具有频率梳结构。 

图1：数值模拟超连续光源。参阅词条超连续产生得到更多细节。 

可以采用不同类型的光谱仪来接收光谱，它们适用的光谱范围及光谱分辨率都是不同的。 

光谱与光的时间相干特性密切相关。例如，由时间相干方程可以得到光谱。光谱还与电场的傅里叶变化有关，但是后者大多数情况下不能直接得到。因此，也称为光场的傅里叶光谱。 

光学带宽 

光学带宽就是指光谱的宽度。具有不同的定义，常用的是半高全宽（FWHM）。 

具有线结构的光谱 

有些光源的光谱非常平坦，例如白炽灯，光二极管或者超发光光源。而有些光源的谱中包含相距很近的窄线，只能从具有足够高光谱分辨率（小的分辨率带宽）的光谱仪中能够看到。例如，连续光激光器辐射多模光束，并且只辐射基本谐振腔模式时，光谱中的线是几乎是等间距的，并且间距等于谐振腔往返时间的倒数，在MHz或者GHz范围。如果激光器同时辐射高阶横模，那么光谱中存在附加的线，这时光谱会更加紧密并且是不等间距的。但是任意的锁模激光器都会产生等间距的频率梳光谱，同时光谱中还存在较弱的激光器噪声。 

定义：单位面积的光功率。

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激光光束的光强I，是单位面积的光功率，这时假设光束穿过一个与传播方向垂直的假想的平面。光强的单位为W/m2或W/cm2。光强是光子能量与光通量的乘积。 

对于单色光波，例如平面波或者高斯光束，强度与电场振幅之间的关系为： 

其中vp为相速度，c为真空光速，n是折射率。在不考虑拍音的情况下，非单色光波的强度分布是不同空间成分的简单相加。 

以上方程并不是对于任意电磁场都成立。例如，衰逝场具有有限的电场振幅但是不能传输任何能量。因此需要将光强定义为坡印廷矢量的幅值。 

如果激光光束的强度截面为平顶形状（即在某一区域强度为常数，其它地方强度为0），那么强度就是总功率除以光束面积。对于高斯光束，如果功率为P，光束半径为w，那么峰值强度为： 

是常采用的值的两倍。将该方程对整个光束面积积分就得到总功率。 

激光器中的高阶横向谐振腔模式被激发后，得到多模激光光束，由于各模式间的相对相位是随时间变化的，因此强度的横截面也会发生变化。这时峰值强度可能位于离光束轴一段距离的位置。 

强度通常用到一些非定量的不精确的地方，与光功率没有严格的区分。例如，强度噪声通常是指光功率的噪声（涨落）。 

在下列情况下需要考虑光强： 

• 在激光器增益介质中，光强与跃迁截面决定了光跃迁的速率。当强度大于饱和强度时，稳态的光跃迁过程会发生饱和效应。 
• 透明介质的克尔效应引起的折射率变化等于非线性系数乘以光强度。 
• 当强度大于损伤阈值时，会发生介质的光学损伤，一般只由光脉冲产生，并且与脉冲长度有关。 
• 放大的超短脉冲可以达到非常高的峰值强度。当气体中的强度为甚至更高时，会产生高次谐波。 

光束质量分析仪可以用来测量激光光束强度截面的形状。 

定义：激光光束与谐振腔或者波导模式的电场分布是完全的空间匹配。

相关词条：模式腔衍射极限光束激光光束

在很多情况下，需要将激光光束与另一光束或模式严格匹配从而可以得到有效的耦合。例如： 

• 激光器产生的光束需要耦合进光纤中。 
• 激光光束需要与无源光学谐振腔匹配，作为空间或者光谱滤波器（参阅模清洁腔）。 
• 注入锁定时，主激光器的模式需要与从属激光器的模式匹配。 

模式的匹配不仅要求强度截面在空间上是交叠的，还需要相位截面也是匹配的。如果两光束的复振幅在某一平面上完全匹配，那么在传播过程中会始终保持匹配的。可以采用合适的替续光学系统实现模式匹配（通常是一些曲面镜或透镜的组合），但是前提是初始光束的光束质量接近于衍射极限。 

数学上，模式匹配量可以由以下交叠积分定量表示： 

其中 E1和E2 是平面上的复电场，代表一束激光光束和谐振腔或者波导模式的场，积分区域为整个光束截面。该积分比值在自由空间中传播时保持不变。 

以上的交叠积分在计算模式振幅时非常重要。在许多情况下，例如将光功率耦合进某一模式时，需要计算以上交叠积分的平方。 

如果光束来自于频率可调谐的单频激光器，射向对称的法布里-珀罗干涉仪，如果把激光频率在谐振腔的整个自由光谱范围内调谐，那么可以利用得到的透射光分析模式匹配的程度。当与腔模式完全匹配时（通常是基模，即高斯模式），并且满足共振条件时，就能得到谐振腔完全的透射，此时不会激发其它共振模式。

定义：振荡相位随时间的微分除以2π。

相关词条：频率噪声线宽啁啾光谱图

在描述非单色信号时需要用到瞬时频率，它的定义式为： 

也就是振荡相位 φ对时间的微分。（除去因子 1/2π，就得到瞬时角频率。）与傅里叶频率不同的是，瞬时频率通常与时间有关。正弦信号的瞬时频率是常数等于振荡的频率。 

图1：强上啁啾脉冲的电场，其中瞬时频率随时间增加而增大。 

在考虑频率噪声和相位噪声时，瞬时频率非常重要，它也经常用于啁啾光脉冲（图1），其瞬时频率与时间有关。基本思想比傅里叶频率要更加直观。在音乐中也有相同的概念：乐谱中将音符表示为时间间隔，每一个间隔内的瞬时频率为一个定值（对应于音调）。然而，这一概念对于复杂的信号，例如白噪声，就出现问题了。在激光器中，很容易对单频激光器定义瞬时频率，而对于多模激光器，则首先需要将各个不同频率组分分离开（采用滤波技术），然后才能得到瞬时频率。在啁啾光脉冲中瞬时频率概念也是很有用处的，其中不同脉冲的瞬时频率是不同的。 

振荡信号的傅里叶光谱并不代表瞬时频率的概率分布，因此采用这一光谱测量的线宽也不是瞬时频率的均方根值。瞬时频率域傅里叶频率之间的关系更加复杂和微秒。 

瞬时频率随时间的变化可以根据光谱图的出来。但是，仅仅一个瞬时频率随时间变化的曲线并不能给出全部变化信息。 

测量瞬时频率 

电子信号（例如，拍音）的瞬时频率可以由锁相环路（PLL）得出，环路包含一个电压控制振荡器（VCO）和反馈系统的鉴相器使VCO与入射信号同步。VCO的入射信号可以测量瞬时频率。 这一方案的原理也可以运用到相位跟踪器软件中，来测量记录信号的瞬时频率。这一方案很简单但是也有一些缺点，尤其是其有限的带宽，存在延迟响应。快速傅里叶变换方法更加强大，但是也会更加复杂。

定义：插入某一器件产生的功率损耗。