激光的基本性质

激光问世以来就被称为寻找问题的答案。激光的广泛应用源自于它们du特的性质。激光的颜 色纯度远高于其它光源；也就是说，一台激光器能产生颜色几乎相同的光，即单色光。激光 还具有高方向性，因此可聚焦成具有ji高强度的极小光斑。激光的单色性、方向性以及相位 一致性可用一个词概括：相干。

单色性；窄线宽；高时间相干这三个词的含义基本是相同的。光谱灯(比如汞灯)可能具有低至 10 GHz 的线宽，即发射光 谱的频率范围。GHz 线宽可通过以下公式转换为波长单位：

因此，对于中心波长λ = 550 nm 的光谱，10 GHz 线宽相当于约 0.1 nm。相比而言，激 光器很容易产生线宽小 100 倍的光；对于相同波长的激光，其线宽只有 0.001 nm。另外， 根据频率线宽的倒数可得到相干时间(1/Δv)，所以单色性、窄线宽和高时间相干具有相同的 含义。下面展示了 Thorlabs 几种不同典型线宽的激光器。

方向性；高准直光束；高空间相干

激光的发散角通常以 mrad 为单位。这么小的发散角是因为光必须在共振腔内往返多次才能 通过输出耦合镜，所以只有和共振腔中心线严格对准的光才能完成所需的往返次数，使得输 出光束具有很小的发散角。下面展示了氦氖激光腔及其输出光束的示意图，其中 HR 表示高 反镜、OC 表示输出耦合镜，L 表示腔长，D 表示束腰直径，而α表示全发散角；典型值列 在表格中。

当然，激光不可能是绝对单色的，也不可能没有任何发散。发散源自光波的衍射。比如，平 面波通过小孔衍射时将产生 2.44λ/D 的全发散角；其中λ为波长，D 为小孔直径。如果使用 屏幕观察衍射图案，那么上述角度是小孔对中心亮斑的张角，而这个角度内的功率占小孔总 透射功率的 84%。

激光光束的发散角可以非常小。对于常见的高斯光束，全发散角约为 1.27λ/D，其中 D 为束腰直径。因此，对于相同的波长，高斯光束的发散角大约只有上述平面波衍射角的一半。 虽然高斯光束在自由空间传播时保持相同的强度轮廓，但是当直径为 D 的高斯光束通过直 径为 D 的光阑时也会产生不良影响。这是因为高斯光束在标称直径之外还有一部分光，而 这些光会被光阑阻挡。这使得光束发散角大于 1.27λ/D，并且在主光束周围产生微弱的衍射 环。当光阑增大到光束直径的两到三倍时，这些负面影响会迅速减小，几乎可忽略不计。小 发散角有助于实现小聚焦光斑。这是因为透镜聚焦有两个规律：通过透镜的所有平行光线会 聚在同一点；通过透镜中心的光线不改变方向。下面展示了发散光束通过透镜聚焦的示意图。 由于光线 c 和 d 通过透镜中心，而且分别平行于 b 和 a，因此 b 和 c 会聚在同一点，而 a 和 d 会聚在同一点；两点之间的距离为聚焦光斑尺寸。

从图中可以看出，全发散角(α)约等于聚焦光斑尺寸(S)和焦距(f)之比。因此，入射光束的发 散角越小，聚焦光斑尺寸越小。

相干性

下图展示了激光光束中两个波的特性：它们具有几乎相同的波长、方向和相位。激光因为同 时具有这三个特性而成为相干光，使其不同于其它类型的光。

有些应用需要相干光才能实现。单色激光可用于探测原子结构或控制复杂的化学反应。高准 直激光可以远距离传输能量或高效率聚焦能量。相位一致的激光可以呈现出生动的三维全息图，还可以产生持续时间只有几个光周期的超短脉冲。作为一种强大的工具，激光器不仅改 变着科研和工业，而且影响日常生活的每个方面。有了激光，我们就有了非线性光学、量子 光学、冷原子物理学、飞秒化学、精密光谱学，有了光纤通信、激光光镊、激光原子钟、激 光核聚变、激光引力波探测器、激光频率梳、激光雷达、激光加工、激光电影、激光手术…… 有 趣的是，传播和衍射能够提高光场的相干性。因此，相干性是光场的性质，而不是光源的性 质：托马斯·杨让阳光通过一个小孔就实现了对两个小孔的相干照明，为确立光的波动说提 供了证据。

Thorlabs 提供多种不同类型的激光器和特殊的相干光源，比如单光子源。选择范围从 单个的激光二极管和 DPSS 激光器到完整的系统，比如光纤耦合激光器、氦氖激光器、 纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器?；队滴颐莮