一种获得高纯度单一频率光的途径探讨

作者：彭晓韬
日期：2020.11.12
【文章摘要】：随着科学技术的发展，微电子技术的不断进步，对加工光源频率特性的要求越来越高。特别是目前我国正以举国之力集中攻克的光刻机，更是急需高纯度、大功率、频率单一的光源。根据本人对光的长期研究发现：光就是由带电体产生的电场与磁场，光遇到介质后会使介质中的原子极化成为电偶极子并产生次生光。也就是入射光会使介质成为次生光源。因此，利用不同特性及构造形态的介质就可以构成我们所需要的次生光源。就像云雾可以形成彩虹、薄膜可以形成特定的干涉条纹一样。本文就此进行一些探讨。
一、光的本质及其与介质相互作用规律简述
1、光的本质简介
由光的产生方式都是利用带电体在不同运动状态下产生不同类型的光可知：光就是带电体产生的电场和磁场。由下图一可知：真空中的变化电场并不能感生出磁场，同样地，变化的磁场也不能感生出电场。因此，所谓光是电磁波的说法是错误的。

本文插图
（动图说明：长虚线左侧为导光介质，而其右侧至短实线间为真空，短实线为反射镜）
图一：光在介质及真空中的运动轨迹动图
2、光与介质相互作用规律简介
由反射光存在的半波损失、偏振折射光存在的法拉第磁光效应、超黑材料单缝实验无衍射光现象等表明：入射光会使介质成为次生光源并产生所谓的反射、散射、折射、透射、衍射和绕射等次生光。也就是我们常说的光学中的透镜和反光镜等都是次生光源，其反射光和透射光都是透镜产生的次生光的一部分，而非透镜将入射光通过反射或透射改变光的运动方向。
二、不同介质特性对次生光的影响简述
1、介质材质的影响
我们知道：由不同元素和分子形成的物质的光学性能千差万别。如：在在同样的光源太阳光照射下，金属表面一般呈现金属光泽，玻璃成透明状，植物叶绿花红等。这都说明我们看到的物体反射并非入射光，而是物体表面产生的次生光。
2、介质内部结构的影响
介质内部结构不同，所产生的次生光也不同。最典型的是石墨与金刚石，两者都是由碳原子构成的，但光学性能差异巨大。
3、介质表面平整度的影响
介质表面形状不同，所产生的次生光的强度与运动方向也不同。一般表面越平整、光滑时，反射光的强度越大，而散射光的强度较弱。当表面粗糙时，则反射光变弱，散射光变强。
4、介质表面形状的影响
不同表面形状所产生的反射、散射、折射和透射光的强度、运动方向均不同。这主要是因为介质表面每个部位上的原子和分子都相当于一个点光源，它们产生的次生光通过矢量叠加后才形成所谓的反射、散射、折射和透射光。点光源组合方式的不同自然决定了矢量叠加后的结果不同。当存在多个表面时，就会出现所谓的干涉现象了。这就是薄膜干涉和彩虹现象的原理。
三、设计高纯度单一频率光源的思路简介
1、利用薄膜厚度选择所需频率
通过控制薄膜厚度选择合适频率的次生光源：由于薄膜具有使部分波长合适的光得到加强，波长不合同的光受到压制。因此，根据所需要的频率来选择合适厚度的薄膜作为次生光源即可获得较纯粹单一频率的次生反射光。

本文插图
如上图二所示：当薄膜上、下面的反射、折射系数合适，入射光角度θ一定，经M1面的反射光强度与经M2面的反射光强度基本相等时，则两个面的反射光就符合相干光的基本条件，两者叠加后的强度就会主要由薄膜厚度H决定的光程差决定。光程差为0或波长的整数倍的光就会得到加强；光程差为1/2波长或（n+λ/2）（其中n为自然数）的光就会被相互抵消；其余光程差的光就会依光程差的不同被不同程度地削弱（相对光程差为整数倍波长的光而言）。