什么是激光的相干性？

激光是20世紀以來，在科技領(lǐng)域中繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。在了解什么是激光的相干性之前，首先介紹下激光的基本原理吧。

激光，原名“鐳射”，英文名稱LASER的音譯，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母，意思是“通過受激輻射光擴大”，1964年，中國著名科學家錢學森先生致函《光受激發(fā)射情報》編輯部（期刊《激光與光電子學進展》前身），為LASER取了一個貼切而傳神的中譯名“激光”。

激光的原理

激光（通過受激輻射光擴大），顧名思義，表示光受激輻射產(chǎn)生新的光子，然后放大得到新的發(fā)射光。何謂受激輻射？其過程大致是這樣的：假設(shè)某一原子一開始處于高能級E2，當能量為hυ的外來光子正好等于某一對能級之差E2-E1，那么該原子就可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷，然后發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣（這個就是激光的相干性）。這意味著，入射一個光子就會出射兩個完全相同的光子，這就是光信號被放大的原理，見圖1。但是別高興得太早，一個外來光子即能夠引起受激輻射，同時也會產(chǎn)生受激吸收（吸收外來光子，然后讓原子從E1能級躍遷到E2能級）。顯然，如果要產(chǎn)生激光，前提條件是受激輻射效應(yīng)要大于受激吸收效應(yīng)。但是，在正常情況（熱平衡狀態(tài)）下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）上，就跟小編一樣，能坐著堅決不站著，能躺著堅決不坐著。所以，產(chǎn)生激光一個最大的前提：必須要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，讓更多的原子處于高能級上。然后我們花了很多年的時間，終于找到了某些特定的工作物質(zhì)，讓它在特定的條件下（原子的兩個能級處于非熱平衡狀態(tài)），可以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。顯然，不是每一種物質(zhì)都能夠作為工作物質(zhì)，好吧，這是一句廢話。

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部分大致也有點眉目了，應(yīng)該包括這三個方面：工作物質(zhì)、激勵源、諧振腔，如圖2所示。工作物質(zhì)，就是我們尋找的材料，用來在此物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；激勵源，就是用來激發(fā)工作物質(zhì)的原子體系，實現(xiàn)這個特定條件（上能級的粒子數(shù)增加，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）；諧振腔，激光形成的腔體，一般由兩面反射鏡（在激光器兩端）組成，讓光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩放大，從而在輸出反射鏡處出射激光。

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種特性：單色性、相干性、方向性和高亮度。實際上，這四種特性從本質(zhì)上也可以歸結(jié)為一個：激光具有很高的光子簡并度，換句話說，激光在很大的相干體積內(nèi)具有很高的相干光強。

接下來進入正題，什么是激光的相干性。激光的相干性可以分為空間相干性和時間相干性二種，分別表示空間不同位置光波場某些特性（例如相位）之間的相關(guān)性和空間點在不同時刻光波場之間的相關(guān)性。而通常我們定性地用楊氏雙縫干涉實驗的干涉條紋的清晰程度來判別光束的相干性程度。

空間相干性和方向性

激光的方向性，我們一般用光束發(fā)散角來定義，而激光的空間相干性和方向性是緊密關(guān)聯(lián)的。當光束發(fā)散角小于一定的程度，光束才會具有一定的空間相干性。舉個最簡單的例子，普通光源譬如手電筒發(fā)散角非常大，顯然不具有空間相干性。如果一個平面波是完全空間相干光，那么其發(fā)散角就為零。對于激光器而言，產(chǎn)生的激光都非理想光源，通常我們用橫模和縱模對其進行分析。橫模表示橫向光場分布（用TEMmn表示），縱模表示軸向光場分布（即諧振頻率）。而激光的空間相干性和方向性就和橫模有直接的關(guān)系，只有一個TEM00模（基模）時，那么激光的相干性就非常好；如果存在多個橫模（不同橫模之間是非相干的），那么相干性程度就會降低。

時間相干性和單色性

時間相干性與光源的單色性直接相關(guān)。光源原子一次發(fā)光時間越長，通過雙縫干涉觀察到的條紋越多，我們就說時間相干性越長，而光源原子發(fā)光時間我們就稱為相干時間，相干時間內(nèi)的波列長度叫做相干長度。相干長度L越長，干涉條紋越清晰，表示相干性越好。假設(shè)某一激光器發(fā)出λ1~λ2之間的光波頻率的波（理想的單色光是不存在的），那么可以證明相干長度L=λ^2/Δλ（篇幅關(guān)系，證明過程略），Δλ=λ2-λ1。當Δλ越小，也就是λ2和λ1越接近，單色性越好，相干長度L越大，相干性就越好。

圖3 激光波長示意圖

激光高亮度和強相干性

激光的高亮度是區(qū)別于普通光源的重要特征，而目前提高輸出功率和效率也是發(fā)展激光器的重要課題。利用調(diào)Q、鎖模、脈寬壓縮技術(shù)可以極大地提高激光器的輸出功率，當把激光器的激光功率集中在一個或者少數(shù)幾個模式中時，也就意味著提高了光子的簡并度，相干性就越好。一臺高功率的激光的亮度甚至可以達到太陽表面亮度的幾百萬倍。

激光相干性調(diào)控

前面講了激光的原理以及激光的相干性。下面簡單介紹下調(diào)控激光相干性的方法。激光相干度大小的調(diào)控方法多種多樣，主要可以分為兩類：一是激光諧振腔外加光學元件調(diào)控激光相干度大小；二是在激光諧振腔內(nèi)放置光學元件調(diào)控激光相干度大小。

圖4 腔外調(diào)控相干度大小。(a)實驗裝置圖；（b）相干度大小實驗結(jié)果圖

相干度大小腔外調(diào)控最常用的方法是通過動態(tài)散射體（例如旋轉(zhuǎn)的毛玻璃、動態(tài)液晶光調(diào)制器等）降低激光束的相干度大小，如圖4（a）所示，一束激光經(jīng)過透鏡L1聚焦后照射到動態(tài)散射體，從動態(tài)散射體出來的光束可以近似為非相干光束，經(jīng)透鏡L2以及濾波器組成的傅里葉變換系統(tǒng)之后，便可產(chǎn)生高斯謝爾模（GSM）光束（典型的部分相干激光束），通過控制透鏡L1到動態(tài)散射體直接的距離z來控制動態(tài)散射體上的聚焦光斑大小，當聚焦光斑越大，得到的GSM光束的相干度越小。

圖5腔內(nèi)調(diào)控激光相干度大小的實驗裝置圖

圖5為腔內(nèi)調(diào)控激光相干度大小的實驗裝置圖，腔內(nèi)調(diào)制的核心技術(shù)是在諧振腔內(nèi)插入一個大小可控的小孔，通過控制小孔的大小控制腔內(nèi)激光振蕩模數(shù)（前面空間相干性中提到的橫模TEMnm），從而控制輸出激光束的相干度大小。

激光相干性調(diào)控的應(yīng)用

前面講了什么是激光的相干性，以及如何來調(diào)控激光的相干度。那么最重要的問題來了，我們?yōu)槭裁匆獊碚{(diào)控激光的相干性，那么就讓小編帶你來看看有哪些實實在在的應(yīng)用吧。

自由空間光通信中的應(yīng)用

近年來，由于激光的方向性強、光功率集中、難以竊聽、成本低、安裝快等特點，激光越來越多地應(yīng)用于自由空間光通信中，但是光束在大氣中傳輸時容易受到微小粒子、氣溶膠、溫度梯度引起折射率隨機變化等因素影響，使得激光束的光強分布、相位分布在時間和空間上隨機起伏、波前扭曲變形、光強閃爍、光束彎曲和偏移等現(xiàn)象。而部分相干光束在湍流大氣中傳輸就能夠更好地克服湍流等大氣方面帶來的負面影響。

光束整形中的應(yīng)用

對激光束相干度大小的調(diào)控，同樣也可以實現(xiàn)光束整形，產(chǎn)生空心、平頂、陣列等光強分布，從而在激光加工、激光武器等領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景。

微粒俘獲中的應(yīng)用

激光相干性調(diào)控，不僅能夠如同完全相干性激光一樣，調(diào)控激光的相位產(chǎn)生光阱從而形成光鑷（上一期什么是光鑷中有具體論述），而且由于部分相干性，可以避免熱效應(yīng)問題，從而保護細胞不受損傷。