激光的特性
激光和普通光的根本不同在于激光是一種有很高光子簡(jiǎn)并度的光。光子簡(jiǎn)并度可以理解為具有相同模式(或波型)的光子數(shù)目,即具有相同狀態(tài)的光子數(shù)目。
激光器主要由增益介質(zhì)和諧振腔組成。諧振腔選模,增益介質(zhì)通過受激輻射向確定的模提供能量,從而形成具有很高光子簡(jiǎn)并度的激光。高光子簡(jiǎn)并度表現(xiàn)出很好的單色性、方向性、相干性及高亮度;激光可被壓縮成極短的超短脈沖,脈寬已達(dá)到秒量級(jí),能產(chǎn)生短至4.6 fs的超短激光脈沖,高達(dá)1020W/cm2的光功率密度。
(1)單色性
激光的好單色性是由激光器的工作原理和結(jié)構(gòu)決定的。由于諧振腔內(nèi)的增益介質(zhì)可以向一個(gè)模提供足夠的能量,從整體來看可以認(rèn)為光在腔內(nèi)沒有損耗,因而由該諧振腔輸出的激光可以理解為是沒有衰減的,具有無限窄的譜線寬度。
實(shí)驗(yàn)證明,激光的譜線不可能無限窄,因?yàn)樽园l(fā)輻射在激光的輸出中不可避免。自發(fā)輻射只能平均地向所有模提供能量,因而對(duì)某一特定模而言,它所提供的能量是很小的,而這份小小的能量恰恰造成激光發(fā)射中一種不可避免的衰減。所以,激光譜線仍有一定的寬度。通常把激光器中自發(fā)輻射引起的線寬稱為線寬極限ΔυL,ΔυL正比于該模式中每秒自發(fā)輻射的能量。
單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好,固體激光器的單色性較差,半導(dǎo)體激光器的單色性最差。
(2)方向性
光源發(fā)出光束的方向性通常用發(fā)散角2θ(單位rad)來描述,亦可用光束所占的空間立體角ΔΩ=πθ2(單位sr)來描述。普通光源輻射的光束來自于自發(fā)輻射,自發(fā)輻射總是任意的,是向4π立體角輻射的,所以方向性很差。
激光的優(yōu)良方向性,是激光器的工作原理和結(jié)構(gòu)決定的。由于激光器中增益介質(zhì)只向特定模式提供能量,受激輻射提供的光子總是與激發(fā)光完全一樣,同頻率、同偏振、同位相和同方向。所以,如果諧振腔選出的模不受衍射的影響,激光束的發(fā)散角可以無限小。一般說來,激光器的發(fā)散角(θ)決定于該激光器的腔長,環(huán)境地球物理學(xué)概論式中:λ是激光波長,L是腔長。若λ=0.63μm,L=0.4 m,則θ=2×10-3rad。增加腔長,還可以進(jìn)一步減小發(fā)散角。
不同類型激光器的方向性差別很大,這與增益介質(zhì)的類型、均勻性、光腔的類型、腔長、激勵(lì)方式和激光器的工作狀態(tài)有關(guān)。氣體激光器的增益介質(zhì)有良好的均勻性,且腔長大,方向性好;固體激光器的方向性差;半導(dǎo)體激光器的方向性最差。
(3)高相干性光強(qiáng)
激光具有極好相干性。激光的單色性,使其具有優(yōu)良的高光束質(zhì)量和高相干光強(qiáng)。因此有助于進(jìn)一步提高光功率密度。例如,激光好的單色性容易聚焦為小的光斑,從而獲得更大的功率密度。若將一個(gè)1012W的激光脈沖聚焦為5 μm直徑的光斑,其功率密度可達(dá)1018W/cm2。
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