激光的基本性質(zhì)

激光問(wèn)世以來(lái)就被稱為尋找問(wèn)題的答案。激光的廣泛應(yīng)用源自于它們du特的性質(zhì)。激光的顏 色純度遠(yuǎn)高于其它光源；也就是說(shuō)，一臺(tái)激光器能產(chǎn)生顏色幾乎相同的光，即單色光。激光 還具有高方向性，因此可聚焦成具有ji高強(qiáng)度的極小光斑。激光的單色性、方向性以及相位 一致性可用一個(gè)詞概括：相干。

單色性；窄線寬；高時(shí)間相干這三個(gè)詞的含義基本是相同的。光譜燈(比如汞燈)可能具有低至 10 GHz 的線寬，即發(fā)射光 譜的頻率范圍。GHz 線寬可通過(guò)以下公式轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)單位：

因此，對(duì)于中心波長(zhǎng)λ = 550 nm 的光譜，10 GHz 線寬相當(dāng)于約 0.1 nm。相比而言，激 光器很容易產(chǎn)生線寬小 100 倍的光；對(duì)于相同波長(zhǎng)的激光，其線寬只有 0.001 nm。另外， 根據(jù)頻率線寬的倒數(shù)可得到相干時(shí)間(1/Δv)，所以單色性、窄線寬和高時(shí)間相干具有相同的 含義。下面展示了 Thorlabs 幾種不同典型線寬的激光器。

方向性；高準(zhǔn)直光束；高空間相干

激光的發(fā)散角通常以 mrad 為單位。這么小的發(fā)散角是因?yàn)楣獗仨氃?/span>共振腔內(nèi)往返多次才能 通過(guò)輸出耦合鏡，所以只有和共振腔中心線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的光才能完成所需的往返次數(shù)，使得輸 出光束具有很小的發(fā)散角。下面展示了氦氖激光腔及其輸出光束的示意圖，其中 HR 表示高 反鏡、OC 表示輸出耦合鏡，L 表示腔長(zhǎng)，D 表示束腰直徑，而α表示全發(fā)散角；典型值列 在表格中。

當(dāng)然，激光不可能是絕對(duì)單色的，也不可能沒(méi)有任何發(fā)散。發(fā)散源自光波的衍射。比如，平 面波通過(guò)小孔衍射時(shí)將產(chǎn)生 2.44λ/D 的全發(fā)散角；其中λ為波長(zhǎng)，D 為小孔直徑。如果使用 屏幕觀察衍射圖案，那么上述角度是小孔對(duì)中心亮斑的張角，而這個(gè)角度內(nèi)的功率占小孔總 透射功率的 84%。

激光光束的發(fā)散角可以非常小。對(duì)于常見(jiàn)的高斯光束，全發(fā)散角約為 1.27λ/D，其中 D 為束腰直徑。因此，對(duì)于相同的波長(zhǎng)，高斯光束的發(fā)散角大約只有上述平面波衍射角的一半。 雖然高斯光束在自由空間傳播時(shí)保持相同的強(qiáng)度輪廓，但是當(dāng)直徑為 D 的高斯光束通過(guò)直 徑為 D 的光闌時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不良影響。這是因?yàn)楦咚构馐跇?biāo)稱直徑之外還有一部分光，而 這些光會(huì)被光闌阻擋。這使得光束發(fā)散角大于 1.27λ/D，并且在主光束周圍產(chǎn)生微弱的衍射 環(huán)。當(dāng)光闌增大到光束直徑的兩到三倍時(shí)，這些負(fù)面影響會(huì)迅速減小，幾乎可忽略不計(jì)。小 發(fā)散角有助于實(shí)現(xiàn)小聚焦光斑。這是因?yàn)橥哥R聚焦有兩個(gè)規(guī)律：通過(guò)透鏡的所有平行光線會(huì) 聚在同一點(diǎn)；通過(guò)透鏡中心的光線不改變方向。下面展示了發(fā)散光束通過(guò)透鏡聚焦的示意圖。 由于光線 c 和 d 通過(guò)透鏡中心，而且分別平行于 b 和 a，因此 b 和 c 會(huì)聚在同一點(diǎn)，而 a 和 d 會(huì)聚在同一點(diǎn)；兩點(diǎn)之間的距離為聚焦光斑尺寸。

從圖中可以看出，全發(fā)散角(α)約等于聚焦光斑尺寸(S)和焦距(f)之比。因此，入射光束的發(fā) 散角越小，聚焦光斑尺寸越小。

相干性

下圖展示了激光光束中兩個(gè)波的特性：它們具有幾乎相同的波長(zhǎng)、方向和相位。激光因?yàn)橥?時(shí)具有這三個(gè)特性而成為相干光，使其不同于其它類型的光。

有些應(yīng)用需要相干光才能實(shí)現(xiàn)。單色激光可用于探測(cè)原子結(jié)構(gòu)或控制復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。高準(zhǔn) 直激光可以遠(yuǎn)距離傳輸能量或高效率聚焦能量。相位一致的激光可以呈現(xiàn)出生動(dòng)的三維全息圖，還可以產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)光周期的超短脈沖。作為一種強(qiáng)大的工具，激光器不僅改 變著科研和工業(yè)，而且影響日常生活的每個(gè)方面。有了激光，我們就有了非線性光學(xué)、量子 光學(xué)、冷原子物理學(xué)、飛秒化學(xué)、精密光譜學(xué)，有了光纖通信、激光光鑷、激光原子鐘、激 光核聚變、激光引力波探測(cè)器、激光頻率梳、激光雷達(dá)、激光加工、激光電影、激光手術(shù)…… 有 趣的是，傳播和衍射能夠提高光場(chǎng)的相干性。因此，相干性是光場(chǎng)的性質(zhì)，而不是光源的性 質(zhì)：托馬斯·楊讓陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔就實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)小孔的相干照明，為確立光的波動(dòng)說(shuō)提 供了證據(jù)。

Thorlabs 提供多種不同類型的激光器和特殊的相干光源，比如單光子源。選擇范圍從 單個(gè)的激光二極管和 DPSS 激光器到完整的系統(tǒng)，比如光纖耦合激光器、氦氖激光器、 納秒激光器、皮秒激光器和飛秒激光器。歡迎聯(lián)系我們~