激光原理——概述

2022-02-21 阅读量

激光也是光，与普通的光没有本质的区别，但是激光有是一种特殊的光，具有许多独特而优异的性能。

如果光源的发光主要是受激辐射，就可以实现光放大效应，也就是说可以得到激光；但是，普通光源产生的光辐射以自发辐射为主，受激辐射的成分非常少，没有实际应用的价值。

激光也是光，与普通的光没有本质的区别，但是激光有是一种特殊的光，具有许多独特而优异的性能。

光：
- 普通的光：(太阳或者灯光)是物质随机发出的光，通常包括多种波长，向四面八方辐射，从光源发出的不同波列之间不具有相干性。
- 激光：是可控制的电磁波，具有:高方向性、单色性、相干性、高亮度

1.1、高方向性

光束的方向性用平面发散角 $\theta$ 来评价； $\theta$ 角越小光束发散越小，方向性越好；若 $\theta角趋于0$ ,就可以近似地称为“平行光”；

\lim_{\theta\to0} 光束的方向 = 平行

此时，$tan(\frac{\theta}{2}) = \frac{R-r}{L}$ 激光所能达到的最小束缚光束发散角要受到衍射效应的限制，即它不能小于激光通过输出孔径时的衍射角，通常称为衍射极限$\theta_m$： $$ \theta_m = 1.22\frac{\lambda}{D} $$

1.2、单色性

在可见光范围内，光波的颜色与"频率"有关，一个光源发射的光所包含的波长范围越窄，它的颜色就越单纯，即光源的单色性越好；
单色性常用 $\frac{\Delta \lambda}{\lambda}(或者用\frac{\Delta v}{v})$ 来衡量，其中 $\lambda$ 和 $v$ 分别为辐射波的中心波长和频率， $\Delta \lambda和\Delta v$ 是谱线的宽度；

1.3、相干性

电磁辐射具有波动性，任何电磁波都可以看成是正弦波的叠加。根据波动理论，每列波都可以用一个波动方程来描述，即:

y=A\sin(wt+\phi)

其中 $w$ 为角频率， $w=2\pi v$ ; $\phi$ 为初始相位； $( wt + \phi )$ 为波的相位；
相干波意味着各个子波之间有确切的相位关系。如果两列波满足(1)、振动方向相同 ;(2)、频率相同;(3)、相位差恒定;的相干条件，他们就是相干的；

相干条件：
1. 振动方向相同
2. 频率相同
3. 相位差恒定

对于，一般的光源而言，其发光机制是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出的波列，或同一发光在不同时刻发出的波列相位都是随机的，因此光的相干性极差，或者说是非相干光。

相干性
1. 时间相干性：描述沿光束传播方向上各点的相位关系，指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。时间相干性通常用相干时间 $t_c$ 来描述，相干时间指光传播方向上某点处，可使两个不同时刻的光波场之间有相干性的最大时间间隔，即光源所发出的有限波列的持续时间。 $t_c=\frac{1}{\Delta v}$ ;所以，单色性越高，相干时间越长；相干波长 $L_c$ 就可以表示为: $L_c = c*t_c=\frac{c}{\Delta v};$
2. 空间相干性: 描述垂直于光束传播方向的各点之间的相位关系，指光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性，可以用相干面积来描述,即:
$s = ({\frac{\Delta \lambda}{\theta}})^2$
$\theta$ $θ$ 为光束平面发散角， $\theta$ $θ$ 越小，其空间相关性也越好；对于普通光源来说，当光束发散角小于某一限度，即$$\Delta \theta \leq \frac{\lambda}{\Delta x}$$ 时，光束才具有明显的相干性， $\Delta x$ $Δ x$ 成为线度；

1.4、高亮度

亮度表征光源的明亮程度。光源的单色亮度定义为光源在单位面积、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率，即:

B_v=\frac{P}{\Delta S\Delta v\Delta \Omega}

$P为发光功率；\Delta S 为发光表面的面积；\Delta v为频带宽度；\Delta \Omega 为立体角；B_v的单位为W/(cm^2*sr*Hz)$
由于，激光的高方向性和单色性等特点，高方向性，所以 $\Delta \Omega$ 小；由于，单色性，所以 $\Delta v$ 小，所以，激光的亮度很高；

具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能产生数千度，乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎所有的材料，甚至可以用来引发热核聚变。

脉冲激光器的脉冲宽度 $t_p$ 和激光谱线宽度 $\Delta v$ 之间具有关系为: $t_p = \frac{q}{\Delta v}$ 。

本文作者： zhongyupei
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