一文看懂激光的性質(zhì)

激光具有多種特性，使其在許多實際應用中都很有用。激光是單色的、定向的、相干的。相比之下，普通白光是許多波長的光的組合，各向同性地（向各個方向）發(fā)射，是許多非均勻光的混合物相位波長。

單色性

因為激光發(fā)射的光子都對應于相同的能量躍遷，所以它們都有相同的頻率。像這樣的單頻光通常被描述為單色。相比之下，回想一下熱輻射（如白熾光源產(chǎn)生的熱輻射）會產(chǎn)生不同強度的連續(xù)頻譜。

激光不是完全單色的；有一些由于活性介質(zhì)中原子或分子運動的多普勒頻移而導致的“擴散”。激光器的線寬或帶寬描述了其發(fā)射頻率光譜的擴展。然而，與白熾燈泡發(fā)出的頻譜相比，這種傳播非常窄。

定向性

激光發(fā)出的光以非常窄的光束出現(xiàn)，發(fā)散或擴散很小。我們通常將具有這種特性的光束稱為準直光束。激光器的高度準直是形成光學腔的平行鏡精確對準的直接結果。由于光波在腔內(nèi)來回反射多次，反射鏡將光波約束在垂直于兩個反射鏡表面的軸上。任何稍微“離軸”的光都會從腔中丟失，因此永遠不會形成最終光束的一部分。

激光束的高度準直特性使其非常有用，但也非常危險。你永遠不應該直視激光束，因為高度平行的光線會聚焦到你眼睛視網(wǎng)膜上的一個近乎微觀的點上，對視網(wǎng)膜造成幾乎即時的損傷。另一方面，激光如此精確聚焦的能力有助于其廣泛的醫(yī)療和工業(yè)應用。在醫(yī)學上，激光可以用作鋒利的手術刀；在工業(yè)中，它們可以作為快速、強大和計算機可控的切削工具。

相干性

由相對于彼此“同相”的波組成的相干光被稱為相干光。換句話說，波浪的波峰和波谷完全對齊。普通光源，如白熾燈泡，會產(chǎn)生非相干的光，這意味著波具有隨機相位。即使是具有相同頻率的波的集合，如果它們相對于彼此不是同相的，也可能是不相干的。例如，LED發(fā)出單頻但不相干的光。激光的相干性是受激發(fā)射的直接結果。

圖：相干波（上）和非相干波（下）。每個單獨的波具有相同的頻率。

激光的相干性對于觀察干涉效應非常重要，在精密測量中具有重要應用。干涉測量是使用疊加波對小位移、表面不規(guī)則性或折射率變化進行極其精細的測量?；靖缮鎯x使用分束器和鏡子來重疊來自相干源（如激光器）的光束。通過稍微調(diào)整兩個光束之間的路徑長度差，隨著兩個光束的相對相位的變化，觀察到的干涉圖案將發(fā)生偏移。這種技術允許在所使用的光波長的長度尺度上進行測量。