激光的特性
激光和普通光的根本不同在于激光是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。
激光器主要由增益介质和谐振腔组成。谐振腔选模,增益介质通过受激辐射向确定的模提供能量,从而形成具有很高光子简并度的激光。高光子简并度表现出很好的单色性、方向性、相干性及高亮度;激光可被压缩成极短的超短脉冲,脉宽已达到秒量级,能产生短至4.6 fs的超短激光脉冲,高达1020W/cm2的光功率密度。
(1)单色性
激光的好单色性是由激光器的工作原理和结构决定的。由于谐振腔内的增益介质可以向一个模提供足够的能量,从整体来看可以认为光在腔内没有损耗,因而由该谐振腔输出的激光可以理解为是没有衰减的,具有无限窄的谱线宽度。
实验证明,激光的谱线不可能无限窄,因为自发辐射在激光的输出中不可避免。自发辐射只能平均地向所有模提供能量,因而对某一特定模而言,它所提供的能量是很小的,而这份小小的能量恰恰造成激光发射中一种不可避免的衰减。所以,激光谱线仍有一定的宽度。通常把激光器中自发辐射引起的线宽称为线宽极限ΔυL,ΔυL正比于该模式中每秒自发辐射的能量。
单模稳频气体激光器的单色性最好,固体激光器的单色性较差,半导体激光器的单色性最差。
(2)方向性
光源发出光束的方向性通常用发散角2θ(单位rad)来描述,亦可用光束所占的空间立体角ΔΩ=πθ2(单位sr)来描述。普通光源辐射的光束来自于自发辐射,自发辐射总是任意的,是向4π立体角辐射的,所以方向性很差。
激光的优良方向性,是激光器的工作原理和结构决定的。由于激光器中增益介质只向特定模式提供能量,受激辐射提供的光子总是与激发光完全一样,同频率、同偏振、同位相和同方向。所以,如果谐振腔选出的模不受衍射的影响,激光束的发散角可以无限小。一般说来,激光器的发散角(θ)决定于该激光器的腔长,环境地球物理学概论式中:λ是激光波长,L是腔长。若λ=0.63μm,L=0.4 m,则θ=2×10-3rad。增加腔长,还可以进一步减小发散角。
不同类型激光器的方向性差别很大,这与增益介质的类型、均匀性、光腔的类型、腔长、激励方式和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性,且腔长大,方向性好;固体激光器的方向性差;半导体激光器的方向性最差。
(3)高相干性光强
激光具有极好相干性。激光的单色性,使其具有优良的高光束质量和高相干光强。因此有助于进一步提高光功率密度。例如,激光好的单色性容易聚焦为小的光斑,从而获得更大的功率密度。若将一个1012W的激光脉冲聚焦为5 μm直径的光斑,其功率密度可达1018W/cm2。
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