激光束的高度方向性、单色性、相干性和亮度特征

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：与普通光相比，激光束有高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。激光束具有很高的方向性，它的发散角很小，从激光器射出的激光束基本上是沿轴向传播的。激光束好的方向性主要是由于激光器受激辐射机理和光学谐振腔对光束方向限制所决定的。因此，为了提高激光器的空间相干性，首先应限制激光器工作在单横模状态，其次还要选择合适的腔结构以提高激光束的方向性。

激光是一种受激辐射相干光，是在一定条件下光频电磁场和激光物质相互作用，以及光学谐振腔的选模作用的结果。与普通光相比，激光束有高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。

1.方向性

光源的方向性由光束的发散角2θ来描述。激光束具有很高的方向性，它的发散角很小，从激光器射出的激光束基本上是沿轴向传播的。除了半导体激光器、氮分子激光器等少数几种激光器外，激光束的发散角θ约为10-3rad量级，因而2θ发散角所对应的立体角，而普通的光源却是在2π和4π的立体角内发射，这比激光束的立体角发光范围要高几百倍。显而易见，激光束的方向性比普通光源发出的光要好得多。激光束好的方向性主要是由于激光器受激辐射机理和光学谐振腔对光束方向限制所决定的。

2.单色性

单色性是指光源发出的光强按频率（或波长）分布曲线的狭窄程度。通常用频率分布的宽度Δv，即线宽来描述。由于激光本身是一种受激辐射，再加上谐振腔的选模作用，发出的是单一频率的光。但是，由于激发态总有一定的能级宽度以及其他原因，光谱线还总是有一定的频率宽度Δv。由于

则有

由此可见，一定的Δv对应着一定的Δλ。一般说来，线宽Δv或Δλ越窄，光的单色性越好。而普通光源由于能级之间的光学允许跃迁会导致各种频率的光谱发射，甚至成连续分布，因此线宽相当大，也就是单色性很差。

3.相干性

相干性是指光波场的相干性，亦即不同时刻、不同空间点上两个光波长的相关程度，而这种相关程度在两个光波传播到空间同一点叠加时，则表现为形成干涉条纹的能力。光频电磁场的相干特性，完全由辐射场本身的空间方向分布特性和频谱分布性所决定。相干性又有空间（横向）相干性和时间（纵向）相干性之分。

（1）空间相干性。空间相干性用来描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系，它与光源的方向性相联系。对于普通光源，它所发出的光分属众多的模式，只有在一定范围空间中的光子才是相干的。因此要用相干面积来描述光束的空间相干性。但是对于激光来说，只有属于同一横模模式的光子才是空间相干的，反之则不相干。因此，激光的空间相干性由激光器的横模结构所决定。如果激光器是单横模，则它是完全相干；如果激光器是多横模，则它的空间相干性就会变差。单基横模的方向性最好，横模阶次越高方向性越差。这就表明，激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。因此，为了提高激光器的空间相干性，首先应限制激光器工作在单横模状态，其次还要选择合适的腔结构以提高激光束的方向性。

（2）时间相干性。时间相干性是用来描述光束传播方向上各点的相位关系，它与单色性相联系。激光的相干时间τc和单色性Δv存在以下简单的关系

即单色性越高，相干时间越长，亦即时间相干性越好。时间相干性还可以用相干长度Lc=c/Δv表示，其物理意义是沿光束传播方向上不大于Lc距离，空间任意两点的光场都是完全相干的。同样，激光器的单色性好决定了它具有很长的相干长度。

激光束的高度方向性、单色性、相干性和亮度特征

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