激光的特性

激光的特性

激光和普通光的根本不同在于激光是一種有很高光子簡并度的光。光子簡并度可以理解為具有相同模式（或波型）的光子數(shù)目，即具有相同狀態(tài)的光子數(shù)目。

激光器主要由增益介質(zhì)和諧振腔組成。諧振腔選模，增益介質(zhì)通過受激輻射向確定的模提供能量，從而形成具有很高光子簡并度的激光。高光子簡并度表現(xiàn)出很好的單色性、方向性、相干性及高亮度；激光可被壓縮成極短的超短脈沖，脈寬已達到秒量級，能產(chǎn)生短至4.6 fs的超短激光脈沖，高達1020W／cm2的光功率密度。

（1）單色性

激光的好單色性是由激光器的工作原理和結構決定的。由于諧振腔內(nèi)的增益介質(zhì)可以向一個模提供足夠的能量，從整體來看可以認為光在腔內(nèi)沒有損耗，因而由該諧振腔輸出的激光可以理解為是沒有衰減的，具有無限窄的譜線寬度。

實驗證明，激光的譜線不可能無限窄，因為自發(fā)輻射在激光的輸出中不可避免。自發(fā)輻射只能平均地向所有模提供能量，因而對某一特定模而言，它所提供的能量是很小的，而這份小小的能量恰恰造成激光發(fā)射中一種不可避免的衰減。所以，激光譜線仍有一定的寬度。通常把激光器中自發(fā)輻射引起的線寬稱為線寬極限ΔυL，ΔυL正比于該模式中每秒自發(fā)輻射的能量。

單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好，固體激光器的單色性較差，半導體激光器的單色性最差。

（2）方向性

光源發(fā)出光束的方向性通常用發(fā)散角2θ（單位rad）來描述，亦可用光束所占的空間立體角ΔΩ=πθ2（單位sr）來描述。普通光源輻射的光束來自于自發(fā)輻射，自發(fā)輻射總是任意的，是向4π立體角輻射的，所以方向性很差。

激光的優(yōu)良方向性，是激光器的工作原理和結構決定的。由于激光器中增益介質(zhì)只向特定模式提供能量，受激輻射提供的光子總是與激發(fā)光完全一樣，同頻率、同偏振、同位相和同方向。所以，如果諧振腔選出的模不受衍射的影響，激光束的發(fā)散角可以無限小。一般說來，激光器的發(fā)散角（θ）決定于該激光器的腔長，環(huán)境地球物理學概論式中：λ是激光波長，L是腔長。若λ=0.63μm，L=0.4 m，則θ=2×10-3rad。增加腔長，還可以進一步減小發(fā)散角。

不同類型激光器的方向性差別很大，這與增益介質(zhì)的類型、均勻性、光腔的類型、腔長、激勵方式和激光器的工作狀態(tài)有關。氣體激光器的增益介質(zhì)有良好的均勻性，且腔長大，方向性好；固體激光器的方向性差；半導體激光器的方向性最差。

（3）高相干性光強

激光具有極好相干性。激光的單色性，使其具有優(yōu)良的高光束質(zhì)量和高相干光強。因此有助于進一步提高光功率密度。例如，激光好的單色性容易聚焦為小的光斑，從而獲得更大的功率密度。若將一個1012W的激光脈沖聚焦為5 μm直徑的光斑，其功率密度可達1018W/cm2。

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