一文看懂激光的性質(zhì)

激光具有多種特性，使其在許多實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)的光的組合，各向同性地（向各個(gè)方向）發(fā)射，是許多非均勻光的混合物相位波長(zhǎng)。

單色性

因?yàn)榧す獍l(fā)射的光子都對(duì)應(yīng)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(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的多普勒頻移而導(dǎo)致的“擴(kuò)散”。激光器的線寬或帶寬描述了其發(fā)射頻率光譜的擴(kuò)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(kuò)散很小。我們通常將具有這種特性的光束稱為準(zhǔn)直光束。激光器的高度準(zhǔn)直是形成光學(xué)腔的平行鏡精確對(duì)準(zhǔn)的直接結(jié)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(gè)反射鏡表面的軸上。任何稍微“離軸”的光都會(huì)從腔中丟失，因此永遠(yuǎn)不會(huì)形成最終光束的一部分。

激光束的高度準(zhǔn)直特性使其非常有用，但也非常危險(xiǎn)。你永遠(yuǎn)不應(yīng)該直視激光束，因?yàn)楦叨绕叫械墓饩€會(huì)聚焦到你眼睛視網(wǎng)膜上的一個(gè)近乎微觀的點(diǎn)上，對(duì)視網(wǎng)膜造成幾乎即時(shí)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(yīng)用。在醫(yī)學(xué)上，激光可以用作鋒利的手術(shù)刀；在工業(yè)中，它們可以作為快速、強(qiáng)大和計(jì)算機(jī)可控的切削工具。

相干性

由相對(duì)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(duì)齊。普通光源，如白熾燈泡，會(huì)產(chǎn)生非相干的光，這意味著波具有隨機(jī)相位。即使是具有相同頻率的波的集合，如果它們相對(duì)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(jié)果。

圖：相干波（上）和非相干波（下）。每個(gè)單獨(dú)的波具有相同的頻率。

激光的相干性對(duì)于觀察干涉效應(yīng)非常重要，在精密測(cè)量中具有重要應(yīng)用。干涉測(cè)量是使用疊加波對(duì)小位移、表面不規(guī)則性或折射率變化進(jìn)行極其精細(xì)的測(cè)量。基本干涉儀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(gè)光束之間的路徑長(zhǎng)度差，隨著兩個(gè)光束的相對(duì)相位的變化，觀察到的干涉圖案將發(fā)生偏移。這種技術(shù)允許在所使用的光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行測(cè)量。