激光的特性

作为电磁波的激光由频率、振幅和相位三个物理量描述。频率的单位是赫兹、千兹赫、兆赫兹。可见光的频率在3.841014~7.691014赫兹的范围内。对于这么高的频率，用波长描述更方便。波长λ与频率υ的关系为υ=c/（，c为光速。波长的单位是埃、纳米、微米。1埃＝10－10米，1纳米=10－9米，1微米=10－6米。但是由于激光产生的方法与普通光不同，使得激光具有普通光所不及的特点。

1．方向性优。太阳光茫四射，可以照亮整个太阳系。不加灯伞的白炽灯的光也可以照亮整个房间。这些灯光都没有方向性。加了灯伞的台灯，灯光的光柱形成一个锥形，使灯光有一定的方向性。探照灯的灯光有方向性，形成一个长长的光柱，是因为灯泡放在一个抛物形反射罩的焦点上。由于灯泡不是点光源，探照灯的光束仍有一定的发散。激光则不同，它的方向性极好，其射出的光束犹如一条直线那样笔直，而且光束细如一根细丝。方向性很好的激光束在几公里远处的光斑也只有茶杯大小，如果将它射到38万公里外的月亮上，它在月亮上的光斑直径也不过有三、四公里。

光束方向性的好坏，由光束所张立体角?表示，

?＝S/R2

其中S为光束光斑面积，R为发射中心到光斑面积的距离，?的单位是弧度。

太阳光所张的立体角是4?弧度，没有方向性。探照灯的光束有方向性，其所张立体角约为0.1弧度。激光类所张立体角在10－6弧度的数量级。

2．单色性好。光的颜色在物理上是由波长（或频率）决定的。单色性好就是光的波长（或频率）很纯，所以颜色单一。

太阳光是白光。将太阳光通过一个三棱镜照射到一个屏幕上，看到屏幕上有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，这说明太阳光的颜色不纯，不是单色的。太阳光的七色称为太阳光的光谱。在太阳光谱中，每一种颜色对应一定宽度的波长（或频率）：

颜色波长（纳米）

红647—700

橙585—647

黄575—585

绿491.12—575

青、蓝424—491.2

紫400—424

每一种颜色的光都包含一定波长范围的光。每一条谱线的宽度称为线宽，用⊿λ或⊿υ表示。线宽的单位与波长或频率相同。光束的线宽越窄，表示光的单色性越好，所以线宽是衡量光源单色性的一个物理量。

用氪的同位素Kr86做成的光谱灯，其所发射的光之波长为6057埃，其光谱线的线宽为0.0047埃。Kr86光谱灯是普通光源中单色性最好的光源，通常它被用来作标准单色光源。但是一个氦－氖激光器所发射的光，它的输出波长为6328埃，其谱线线宽可小于10-7埃。同氪灯相比它的单色性提高了四五个数量级。

3．相干性强。波有两个重要的特性：两束波相遇会产生干涉，这就是波的相干性。光波也同样具有相干性。两束光相遇时能否看到干涉现象，要看两束光的振动方向是否一致，二束光的相位差是否是一个常数。由于相位差是空间和时间的函数，因此二束波长相同的波在某一时刻不同的位置上可以产生相干，也可以在同一位置不同时刻之间产生相干。这就表现了干涉的两种性质：空间相干和时间相干。为了表征空间相干和时间相干要引进两个物理量：相干长度和相干时间。相干长度表示两束光在多大的范围内出现相干，用dco表示。相干时间则表示两束光前后少时间能相干，用Ico表示。Ico与dco的关系为：

dco=C·Ico。

其中C为光速。Ico以及dco与波长的关系为：

Ico＝1/υ，dco=λ2/υ。

可见光的单色性越好，相干长度越大，相干时间也越长。

太阳光不是单色光，所以太阳光是不相干的光。常用的低压水银灯，其波长为5461埃，相干长度只有1－2厘米。其他一些单色灯的相干长度举例如下：

光源波长（埃）线宽（埃）相干长度（厘米）

氦5876002514

氖5852001230

氪6057004777

可是一个氦－氖激光器所发射的光，其相干长度可以达到60－600公里！

除此之外，相干面积也用来描述的相干特性。相干面积指的是两束光在多大的面积内能发生相干，用S表示相干面积。则

S＝（λ2R2）/S0，

其中S0为光源面积，λ为波长，R为与光源的距离。从这个关系可以看出，由发光面积S0内各点所发出的光波，在与光源相距R处且与光传播方向垂直的平面S内各点都能相干。所在光源面积越小，也就是方向性越好，相干面积越大。激光束的光源面积远远的小于普通光源产生的光束，所以激光束的相干面积很大。

4．亮度高。激光的又一个重要特性是它的亮度高。亮度高表示光束的能量密度大。把每单位表面积每单位立体角发射的功率定义为亮度B，则

B=dp/（dsd?）。

其中dP为发射功率，ds为表面积，d?为立体角。

光的亮度与光束所张立体角成反比。由于激光束所张立体角比一般光源产生的光束所张立体角小好几个数量级，所以激光束的亮度比普通光源产生光束的亮度高出好几个数量级。

正是激光的这四大特性决定了激光在不同方面有着它特殊的用途。