光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講座
——問題二：什么是激光相干性？
何卓明
激光是20世紀(jì)以來人類繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后在科技領(lǐng)域的又一重大發(fā)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(jìn)行光膨脹”。 1964年，我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森先生致信《光受激發(fā)射情報(bào)》編輯部（《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》雜志的前身）給LASER起了一個(gè)貼切而富有表現(xiàn)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(fā)射產(chǎn)生新的光子，然后將其放大以獲得新的發(fā)射光。 什么是受激輻射？ 過程大致是這樣的：假設(shè)一個(gè)原子最初處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)能量為hυ的外部光子恰好等于某對(duì)能級(jí)E2-E1之間的差值時(shí)，則可以誘導(dǎo)該原子由外部光子。 它從高能級(jí)E2躍遷到低能級(jí)E1，然后發(fā)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(fā)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(dāng)一個(gè)光子入射時(shí)，將發(fā)射兩個(gè)相同的光子。 這就是放大光信號(hào)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(fā)射和受激吸收（吸收外部光子然后導(dǎo)致原子從E1能級(jí)躍遷到E2能級(jí)）。 顯然，要產(chǎn)生激光，前提是受激發(fā)射效應(yīng)大于受激吸收效應(yīng)。 然而，在正常情況下（熱平衡狀態(tài)），原子幾乎總是處于最低能級(jí)（基態(tài)）。 就像小編一樣，能坐下的就永遠(yuǎn)不會(huì)站著，能躺著的就永遠(yuǎn)不會(huì)坐下。 因此，產(chǎn)生激光的最大先決條件之一就是必須存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以便更多的原子處于高能級(jí)。 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(gè)能級(jí)處于非熱平衡）可以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的特定工作物質(zhì)。 顯然，并不是所有物質(zhì)都可以用作工作物質(zhì)，好吧，那是廢話。
圖1 受激輻射原理圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
那么激光器的基本組成就有些模糊了，應(yīng)該包括這三個(gè)方面：工作物質(zhì)、激發(fā)源、諧振腔，如圖2所示。工作物質(zhì)就是我們要找的材料，它是用來在該物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； 激發(fā)源是用來激發(fā)工作物質(zhì)以達(dá)到這一特定條件的原子系統(tǒng)（上能級(jí)粒子數(shù)增加，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)） 諧振腔，激光形成的腔體，一般由兩個(gè)反射鏡（在激光器的兩端），使光在諧振腔中來回振蕩，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、雪崩放大，并在輸出鏡處發(fā)射激光。
圖2 激光器結(jié)構(gòu)
激光產(chǎn)生的原理決定了激光區(qū)別于其他普通光源的四大特點(diǎn)：?jiǎn)紊?、相干性、方向性和高亮度?事實(shí)上，這四個(gè)特性本質(zhì)上可以歸結(jié)為一個(gè)：激光具有高光子簡(jiǎn)并性。 換句話說，激光在大的相干體積內(nèi)具有高相干光強(qiáng)度。 好吧，我承認(rèn)這句話還不夠流行。 如果有興趣，可以參考《中國(guó)激光》雜志主編周秉坤院士所著的《激光原理》一書。
沒關(guān)系，我們進(jìn)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(shí)間相干性兩種，分別表示空間中不同位置的光波場(chǎng)某些特征（如相位）之間的相關(guān)性以及不同位置的光波場(chǎng)之間的相關(guān)性。不同時(shí)間的空間點(diǎn)。 通常，我們定性地用楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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(fā)散角來定義，激光的空間相干性與方向性密切相關(guān)。 當(dāng)光束發(fā)散角小于一定角度時(shí)，光束將具有一定的空間相干性。 舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，手電筒等普通光源的發(fā)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(fā)散角為零。 對(duì)于激光器來說，產(chǎn)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(chǎng)分布（用TEMmn表示），縱模代表軸向光場(chǎng)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(guān)。 當(dāng)只有一種TEM00模（基模）時(shí)，激光的相干性很好； 如果存在多個(gè)橫模（不同橫模之間的差異相干），那么相干程度就會(huì)降低。
時(shí)間相干性與光源的單色性直接相關(guān)。 光源原子一次發(fā)光的時(shí)間越長(zhǎng)，通過雙縫干涉觀察到的條紋越多，時(shí)間相干性就越長(zhǎng)。 光源原子發(fā)光的時(shí)間稱為相干時(shí)間，相干時(shí)間內(nèi)的波列長(zhǎng)度稱為相干長(zhǎng)度。 。 相干長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，干涉條紋越清晰，表明相干性越好。 假設(shè)某激光器發(fā)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(zhǎng)度L=λ^2/Δλ（限于篇幅，證明過程省略）物理資源網(wǎng)，Δλ=λ2-λ1。 當(dāng)Δλ越小時(shí)，即λ2和λ1越接近，單色性越好，相干長(zhǎng)度L越大，相干性越好。
圖3 激光波長(zhǎng)示意圖
激光的高亮度是其區(qū)別于普通光源的重要特點(diǎn)。 目前，提高輸出功率和效率也是激光器發(fā)展的重要問題。 采用調(diào)Q、鎖模、脈寬壓縮等技術(shù)可以大大提高激光器的輸出功率。 當(dāng)激光器的激光功率集中在一種或幾種模式時(shí)，意味著光子的簡(jiǎn)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(dá)到太陽表面亮度的數(shù)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(jiǎn)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(xué)元件來控制激光相干性；二是在激光諧振腔中添加光學(xué)元件來控制激光相干性； 另一種是在激光諧振腔內(nèi)放置光學(xué)元件來控制激光相干性。
圖 4. 相干性的腔外控制。 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置圖； (b) 相干度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
控制腔外相干性最常用的方法是通過動(dòng)態(tài)散射體（如旋轉(zhuǎn)毛玻璃、動(dòng)態(tài)液晶光調(diào)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(jīng)過L1聚焦后，照亮動(dòng)態(tài)散射體。 從動(dòng)態(tài)散射體發(fā)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(jīng)過由透鏡L2和濾光片組成的傅里葉變換系統(tǒng)后，通過控制距透鏡L1的直接距離z來控制動(dòng)態(tài)散射體上的焦點(diǎn)大小到動(dòng)態(tài)散射體。 當(dāng)焦點(diǎn)較大時(shí)，產(chǎn)生的 GSM 光束的相干性較小。
圖5 腔內(nèi)控制激光相干性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
圖5是控制腔內(nèi)激光相干性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 腔內(nèi)調(diào)制的核心技術(shù)是在諧振腔內(nèi)插入尺寸可控的小孔，通過控制小孔的尺寸來控制腔內(nèi)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(yīng)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(shí)際應(yīng)用吧。
近年來，激光器以其方向性強(qiáng)、光功率集中、不易竊聽、成本低廉、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)在自由空間光通信中得到越來越多的應(yīng)用。 然而，光束在大氣中傳輸時(shí)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(jī)變化等因素影響，激光束的強(qiáng)度分布和相位分布在時(shí)間和空間上隨機(jī)波動(dòng)、波前畸變和形變、強(qiáng)度閃爍、光束彎曲和偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)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(fù)面影響。
通過控制激光束的相干性，還可以對(duì)光束進(jìn)行整形，產(chǎn)生空心、平頂、陣列等光強(qiáng)分布，在激光加工、激光武器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(xì)討論過），還可以避免因部分光鑷而產(chǎn)生的熱效應(yīng)問題。連貫性。 從而保護(hù)細(xì)胞免受損傷。
參考：
陳亞紅，蔡陽健。 激光相干控制及應(yīng)用[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(10).
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