激光器基础---激光腔

图1:在典型的气体激光器中，增益介质呈细长的圆柱形。腔体由两个镜子限定。一种是部分反射，允许输出光束逃逸

激光腔或谐振器是系统的核心。在某些高增益装置(如准分子激光器)中，通过一组受激原子或分子的单次跃迁就足以启动激光作用;然而，对于大多数激光器来说，需要通过多次通过激光介质来进一步提高增益。这是沿着由一组产生反馈的腔镜定义的光轴实现的(图1)。激光介质(晶体，半导体或封闭在适当约束结构中的气体)沿着谐振器的光轴放置。这个独特的具有很高光增益的轴也成为了激光束的传播方向。另一个不同的例子是独特的长(和灵活的!)增益轴是光纤激光器。

最简单的空腔是由两个相互面对的镜子定义的——一个全反射镜和一个部分反射镜，其反射率可以在30%到接近100%之间变化。光在这些镜子之间来回反射，每次通过增益介质，光的强度都会增加。自发地向轴以外的方向发射的光子只是丢失，对激光的工作没有贡献。当激光被放大时，一些光通过部分反射器(输出耦合器)逃离腔或振荡器;然而，在平衡状态下(所谓的“稳定状态”或“连续波”)，这些“光学损失”被光子在腔内连续往返所经历的光学增益完全补偿。激光器的输出恰好是输出耦合器发射的光束的一部分。在理想的激光器中，输出光束中的所有光子都是相同的，从而产生完美的方向性和单色性。这决定了激光光源独特的相干性和亮度。

单色性——光子的能量通过E = hc/λ的关系决定了它的波长，其中h是普朗克常数，c是光速，λ是波长。理想的激光发射出的光子能量完全相同，波长也相同，而且是完全单色的。许多应用都依赖于单色。例如，在电信领域，几个波长稍微偏移的激光器可以在同一根光纤中以平行的脉冲流传输，而不会产生串扰。真正的激光并不完全是单色的，因为几种增宽机制会使发射光子的频率(和能量)变宽。例如，自由运行的YAG激光器可以具有几十千兆赫的线宽，而稳定的二极管泵浦YAG激光器可以具有<1 kHz的线宽。这些展宽机制中最著名的是多普勒展宽，它由组成活性气体介质的原子集合中的速度分布决定。

相干性——除了具有相同的波长外，构成理想激光束的光子都是同相位的(图2)，或“相干的”，从而产生以均匀波前传播的电场。理想的表示是平面波沿给定方向以平坦波前传播，并且垂直于该方向的每个平面在给定时间经历相同的电场和磁场振幅和相位。当两个具有这种特征的波相互作用时，就会产生干涉图案，就像杨的实验一样。真实的激光束在某种程度上偏离了这种理想的行为，但它们仍然是最接近理想的相干平面波的光源，并且它们使依赖于光干涉的许多应用成为可能。例如，精密透镜和镜子的表面是用激光干涉仪测量的，用于追踪和探测引力波的几英里长的干涉仪的干涉模式的微小变化也是如此。

图2：激光与传统光的不同之处在于，所有光波都是同相的

亮度(或者更准确地说，亮度)——激光和传统光源之间最明显的区别是，所有发射的光都以强光束的方式沿同一方向传播。亮度定义为每单位表面面积和单位立体角离开光源的光量。像太阳这样的恒星从单位表面积上发射出大量的辐射，但这些辐射是向许多不同的方向发射的。相反，激光束是高度定向的，其结果是它的亮度比地球表面所经历的太阳要强烈得多。由于这个原因，仅仅5毫瓦的激光笔的功率就比阳光直射对眼睛更“致盲”(也更危险)。

由于其高辐射率，激光束可以投射很远的距离或聚焦到一个非常小的点上。精心设计的激光器产生的光束只会以衍射定律规定的最小量膨胀(“发散”)。例如，衍射要求激光束可以产生的最小光斑大约等于其波长。

审核编辑 黄宇