光學基礎知識講座
——問題二：什么是激光相干性？
何卓明
激光是20世紀以來人類繼原子能、計算機、半導體之后在科技領域的又一重大發明。 在了解什么是激光的相干性之前，我們先介紹一下激光的基本原理。
激光，原名“激光”，是英文名LASER的音譯，取自英文單詞“Light by of”的首字母，意思是“通過輻射的受激輻射進行光膨脹”。 1964年，我國著名科學家錢學森先生致信《光受激發射情報》編輯部（《激光與光電子學進展》雜志的前身）給LASER起了一個貼切而富有表現力的中文譯名“激光” 。
激光原理
激光（受激輻射光放大），顧名思義，就是光的受激發射產生新的光子，然后將其放大以獲得新的發射光。 什么是受激輻射？ 過程大致是這樣的：假設一個原子最初處于高能級E2，當一個能量為hυ的外部光子恰好等于某對能級E2-E1之間的差值時，則可以誘導該原子由外部光子。 它從高能級E2躍遷到低能級E1，然后發射與感生光子相同的光子。 不僅頻率（能量）相同，而且光波的發射方向、偏振方向和相位也完全相同（這就是激光的相干性）。 這意味著當一個光子入射時，將發射兩個相同的光子。 這就是放大光信號的原理，見圖1。但是不要太興奮太早。 外部光子可以引起受激發射和受激吸收（吸收外部光子然后導致原子從E1能級躍遷到E2能級）。 顯然，要產生激光，前提是受激發射效應大于受激吸收效應。 然而，在正常情況下（熱平衡狀態），原子幾乎總是處于最低能級（基態）。 就像小編一樣，能坐下的就永遠不會站著，能躺著的就永遠不會坐下。 因此，產生激光的最大先決條件之一就是必須存在粒子數反轉在雙縫干涉實驗中，以便更多的原子處于高能級。 然后我們花了很多年，終于找到了一些在特定條件下（原子的兩個能級處于非熱平衡）可以形成粒子數反轉的特定工作物質。 顯然，并不是所有物質都可以用作工作物質，好吧，那是廢話。
圖1 受激輻射原理圖（圖片來自網絡）
那么激光器的基本組成就有些模糊了，應該包括這三個方面：工作物質、激發源、諧振腔，如圖2所示。工作物質就是我們要找的材料，它是用來在該物質中形成粒子數反轉； 激發源是用來激發工作物質以達到這一特定條件的原子系統（上能級粒子數增加，粒子數反轉） 諧振腔，激光形成的腔體，一般由兩個反射鏡（在激光器的兩端），使光在諧振腔中來回振蕩，引起鏈式反應、雪崩放大，并在輸出鏡處發射激光。
圖2 激光器結構
激光產生的原理決定了激光區別于其他普通光源的四大特點：單色性、相干性、方向性和高亮度。 事實上，這四個特性本質上可以歸結為一個：激光具有高光子簡并性。 換句話說，激光在大的相干體積內具有高相干光強度。 好吧，我承認這句話還不夠流行。 如果有興趣，可以參考《中國激光》雜志主編周秉坤院士所著的《激光原理》一書。
沒關系，我們進入正題，什么是激光的相干性。 激光的相干性可分為空間相干性和時間相干性兩種，分別表示空間中不同位置的光波場某些特征（如相位）之間的相關性以及不同位置的光波場之間的相關性。不同時間的空間點。 通常，我們定性地用楊氏雙縫干涉實驗中干涉條紋的清晰度來判斷光束的相干程度。
激光的方向性一般由光束發散角來定義，激光的空間相干性與方向性密切相關。 當光束發散角小于一定角度時，光束將具有一定的空間相干性。 舉個最簡單的例子，手電筒等普通光源的發散角非常大，顯然不具備空間相干性。 如果平面波是完全空間相干光，那么它的發散角為零。 對于激光器來說，產生的激光并不是理想的光源，我們通常用橫模和縱模來分析。 橫模代表橫向光場分布（用TEMmn表示），縱模代表軸向光場分布（即諧振頻率）。 激光的空間相干性和方向性與橫模直接相關。 當只有一種TEM00模（基模）時，激光的相干性很好； 如果存在多個橫模（不同橫模之間的差異相干），那么相干程度就會降低。
時間相干性與光源的單色性直接相關。 光源原子一次發光的時間越長，通過雙縫干涉觀察到的條紋越多，時間相干性就越長。 光源原子發光的時間稱為相干時間，相干時間內的波列長度稱為相干長度。 。 相干長度L越長，干涉條紋越清晰，表明相干性越好。 假設某激光器發出的光波頻率在λ1和λ2之間（理想的單色光不存在），那么可以證明相干長度L=λ^2/Δλ（限于篇幅，證明過程省略）物理資源網，Δλ=λ2-λ1。 當Δλ越小時，即λ2和λ1越接近，單色性越好，相干長度L越大，相干性越好。
圖3 激光波長示意圖
激光的高亮度是其區別于普通光源的重要特點。 目前，提高輸出功率和效率也是激光器發展的重要問題。 采用調Q、鎖模、脈寬壓縮等技術可以大大提高激光器的輸出功率。 當激光器的激光功率集中在一種或幾種模式時，意味著光子的簡并性和相干性得到改善。 性愛越好。 高功率激光的亮度甚至可以達到太陽表面亮度的數百萬倍。
激光相干控制
前面我講了激光的原理和激光的相干性。 下面簡單介紹一下控制激光相干性的方法。 控制激光相干性的方法有很多種，主要可分為兩類：一是在激光諧振腔中添加光學元件來控制激光相干性；二是在激光諧振腔中添加光學元件來控制激光相干性； 另一種是在激光諧振腔內放置光學元件來控制激光相干性。
圖 4. 相干性的腔外控制。 (a) 實驗裝置圖； (b) 相干度實驗結果圖
控制腔外相干性最常用的方法是通過動態散射體（如旋轉毛玻璃、動態液晶光調制器等）來降低激光束的相干性。 如圖 4(a) 所示，激光束穿過透鏡。 經過L1聚焦后，照亮動態散射體。 從動態散射體發出的光束可以近似為非相干光束。 高斯謝爾模式（GSM）光束（典型的部分相干激光束）經過由透鏡L2和濾光片組成的傅里葉變換系統后，通過控制距透鏡L1的直接距離z來控制動態散射體上的焦點大小到動態散射體。 當焦點較大時，產生的 GSM 光束的相干性較小。
圖5 腔內控制激光相干性實驗裝置示意圖
圖5是控制腔內激光相干性的實驗裝置示意圖。 腔內調制的核心技術是在諧振腔內插入尺寸可控的小孔，通過控制小孔的尺寸來控制腔內激光振蕩模式（之前空間相干中提到的橫模TEMnm） ），從而控制輸出激光束的相干性。
激光相干控制的應用
前面我們講了什么是激光的相干性以及如何控制激光的相干性。 那么最重要的問題來了，為什么我們需要控制激光的相干性，接下來就讓小編給大家展示一些實際應用吧。
近年來，激光器以其方向性強、光功率集中、不易竊聽、成本低廉、安裝快捷等優點在自由空間光通信中得到越來越多的應用。 然而，光束在大氣中傳輸時容易受到微小顆粒的干擾。 受氣溶膠和溫度梯度引起的折射率隨機變化等因素影響，激光束的強度分布和相位分布在時間和空間上隨機波動、波前畸變和形變、強度閃爍、光束彎曲和偏轉等現象。 在湍流大氣中傳輸部分相干光束可以更好地克服湍流和其他大氣方面的負面影響。
通過控制激光束的相干性，還可以對光束進行整形，產生空心、平頂、陣列等光強分布，在激光加工、激光武器等領域具有重要的應用前景。
激光相干控制不僅可以控制激光的相位，形成光陷阱在雙縫干涉實驗中，形成像完全相干激光一樣的光鑷（在上一期什么是光鑷中詳細討論過），還可以避免因部分光鑷而產生的熱效應問題。連貫性。 從而保護細胞免受損傷。
參考：
陳亞紅，蔡陽健。 激光相干控制及應用[J]. 光學學報, 2016, 36(10).
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