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种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式（或波型）的光子数目，即具有相同状态的光子数目。

激光器主要由增益介质和谐振腔组成。谐振腔选模，增益介质通过受激辐射向确定的模提供能量，从而形成具有很高光子简并度的激光。高光子简并度表现出很好的单色性、方向性、相干性及高亮度；激光可被压缩成极短的超短脉冲，脉宽已达到秒量级，能产生短至4.6 fs的超短激光脉冲，高达1020W／cm2的光功率密度。

（1）单色性

激光的好单色性是由激光器的工作原理和结构决定的。由于谐振腔内的增益介质可以向一个模提供足够的能量，从整体来看可以认为光在腔内没有损耗，因而由该谐振腔输出的激光可以理解为是没有衰减的，具有无限窄的谱线宽度。

实验证明，激光的谱线不可能无限窄，因为自发辐射在激光的输出中不可避免。自发辐射只能平均地向所有模提供能量，因而对某一特定模而言，它所提供的能量是很小的，而这份小小的能量恰恰造成激光发射中一种不可避免的衰减。所以，激光谱线仍有一定的宽度。通常把激光器中自发辐射引起的线宽称为线宽极限ΔυL，ΔυL正比于该模式中每秒自发辐射的能量。

单模稳频气体激光器的单色性最好，固体激光器的单色性较差，半导体激光器的单色性最差。

（2）方向性

光源发出光束的方向性通常用发散角2θ（单位rad）来描述，亦可用光束所占的空间立体角ΔΩ=πθ2（单位sr）来描述。普通光源辐射的光束来自于自发辐射，自发辐射总是任意的，是向4π立体角辐射的，所以方向性很差。

激光的优良方向性，是激光器的工作原理和结构决定的。由于激光器中增益介质只向特定模式提供能量，受激辐射提供的光子总是与激发光完全一样，同频率、同偏振、同位相和同方向。所以，如果谐振腔选出的模不受衍射的影响，激光束的发散角可以无限小。一般说来，激光器的发散角（θ）决定于该激光器的腔长，环境地球物理学概论式中：λ是激光波长，L是腔长。若λ=0.63μm，L=0.4 m，则θ=2×10-3rad。增加腔长，还可以进一步减小发散角。

不同类型激光器的方向性差别很大，这与增益介质的类型、均匀性、光腔的类型、腔长、激励方式和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性好；固体激光器的方向性差；半导体激光器的方向性最差。

（3）高相干性光强

激光具有极好相干性。激光的单色性，使其具有优良的高光束质量和高相干光强。因此有助于进一步提高光功率密度。例如，激光好的单色性容易聚焦为小的光斑，从而获得更大的功率密度。若将一个1012W的激光脉冲聚焦为5 μm直径的光斑，其功率密度可达1018W/cm2。

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