一文看懂激光的性质

激光具有多种特性，使其在许多实际应用中都很有用。激光是单色的、定向的、相干的。相比之下，普通白光是许多波长的光的组合，各向同性地（向各个方向）发射，是许多非均匀光的混合物相位波长。

单色性

因为激光发射的光子都对应于相同的能量跃迁，所以它们都有相同的频率。像这样的单频光通常被描述为单色。相比之下，回想一下热辐射（如白炽光源产生的热辐射）会产生不同强度的连续频谱。

激光不是完全单色的；有一些由于活性介质中原子或分子运动的多普勒频移而导致的“扩散”。激光器的线宽或带宽描述了其发射频率光谱的扩展。然而，与白炽灯泡发出的频谱相比，这种传播非常窄。

定向性

激光发出的光以非常窄的光束出现，发散或扩散很小。我们通常将具有这种特性的光束称为准直光束。激光器的高度准直是形成光学腔的平行镜精确对准的直接结果。由于光波在腔内来回反射多次，反射镜将光波约束在垂直于两个反射镜表面的轴上。任何稍微“离轴”的光都会从腔中丢失，因此永远不会形成最终光束的一部分。

激光束的高度准直特性使其非常有用，但也非常危险。你永远不应该直视激光束，因为高度平行的光线会聚焦到你眼睛视网膜上的一个近乎微观的点上，对视网膜造成几乎即时的损伤。另一方面，激光如此精确聚焦的能力有助于其广泛的医疗和工业应用。在医学上，激光可以用作锋利的手术刀；在工业中，它们可以作为快速、强大和计算机可控的切削工具。

相干性

由相对于彼此“同相”的波组成的相干光被称为相干光。换句话说，波浪的波峰和波谷完全对齐。普通光源，如白炽灯泡，会产生非相干的光，这意味着波具有随机相位。即使是具有相同频率的波的集合，如果它们相对于彼此不是同相的，也可能是不相干的。例如，LED发出单频但不相干的光。激光的相干性是受激发射的直接结果。

图：相干波（上）和非相干波（下）。每个单独的波具有相同的频率。

激光的相干性对于观察干涉效应非常重要，在精密测量中具有重要应用。干涉测量是使用叠加波对小位移、表面不规则性或折射率变化进行极其精细的测量。基本干涉仪使用分束器和镜子来重叠来自相干源（如激光器）的光束。通过稍微调整两个光束之间的路径长度差，随着两个光束的相对相位的变化，观察到的干涉图案将发生偏移。这种技术允许在所使用的光波长的长度尺度上进行测量。