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普通光可以聚焦变成激光吗?

更新时间  2021-12-21 16:32 阅读

激光束不仅仅是聚焦光。激光束是相干光。此外,无论您多么努力,都无法通过巧妙地聚焦普通光线来产生激光束。您可以使用受激发射创建激光束。受激发射是导致激光束中的光相干的原因,而相干性是使激光束比普通光更有用的原因。事实上,“激光”一词实际上是一个首字母缩写词,代表“受激辐射的光放大”。

什么是连贯性?在最简单的图片中,您可以将一束光想象成一束穿过空间的小正弦波。在这张图片中,相干性意味着各种正弦波的所有各自的峰值都在空间中排列,并随着波的传播继续保持排列。短语“排列”的意思是,如果您能够在特定时间对光束中的不同波分量进行快照,您会发现所有第一个峰值都在空间中的同一位置,所有第二个峰的距离相同,等等。为了使峰在任何地方都完全对齐,必须发生一些事情:


1.波必须具有大致相同的波长(时间相干性)

如果一个波的连续波峰相隔 600 纳米的距离,而另一个波的波峰相隔;830&;纳米的距离,那么很明显,如果您排列一对峰,则不能排列任何一个其他对峰。理想情况下,如果所有波分量都具有完全相同的波长(并且满足下面列出的其他标准),那么所有峰值都可以永远完美地排列在一起。这种情况实际上在物理上是不可能的。需要无限长的光束才能使所有波分量具有完全相同的波长(此陈述的证明并不明显,需要傅立叶分析)。尽管完全单波长的光束在物理上是不可能的,但我们可以非常非常接近。实际上,具有非常接近单波长(称为“单色”)的光束是激光器如此有用的主要原因之一。使用单色光可以让我们测量或触发材料中非常特定的响应(例如光谱、激光冷却)。


2. 波必须同相(光谱相干)

波的相位描述了某个参考点处存在正弦波周期的哪一部分。两个相位相差;180°&;的波将有一个波在空间中的同一点达到峰值,而另一个波则在底部下降。因此,即使两个波具有相同的波长,如果一个波相对于另一个波向前移动一点,它们的峰值将不会对齐。光束中各种波的相位必须相同,以使它们的峰值对齐并使光束在光谱上相干。相干光束的稳定相位非常有用。当波与材料相互作用时,波的相位往往会发生变化,因此使用具有稳定相位的光束可以让我们测量由于材料引起的相移,从而了解材料的一些信息(例如椭圆偏光法)。


3.波必须局部同向传播(空间相干性)

如果一个波向北传播,另一个波向东北传播,那么它们的峰值就无法对齐。只有当光束在每个点的波以相同的方向传播时,波峰才能对齐。请注意,有些人将这一原则重申为“所有光线都是平行的”。这样的说法过于简单化到了错误的地步。如果一束相干光束(如激光束)由完全平行的光束组成,那么这些光束在行进时不会扩散。实际上,梁总是当它们穿过空间时远离直线运动(我们称之为“衍射”)。您可能不会用肉眼注意到激光束的发散,但它确实存在。与其说相干光束中的所有光线都是平行的,更准确的说法是空间中某一点的波分量在单个相干光束中平行,但点到点不平行。此外,如果两个波以不同的方向传播,但满足所有其他共同相干的标准,我们将这两个波视为完全独立的光束,它们的组合会导致干涉图。对于光束宽度与其波长相比非常大的相干光束,衍射非常小,因此不同位置的所有波都非常接近平行。此类光束可用于指向或扫描(例如激光打印、3D;激光扫描、条形码扫描、导弹的激光制导、激光雷达)。


4.波必须是相同的极化(极化相干)

光波的极化描述了其电场在空间中振荡的方向。如果一个波的电场上下振荡,而另一波的电场左右振荡,则它们的峰值不能对齐,因为峰值存在于不同的方向。光束中的不同波分量必须使它们的电场指向相同的方向,以便使它们的峰值对齐并使光束相干。偏振光很有用,因为我们可以通过物体改变光的偏振的方式(例如偏振测量法)了解光照射到的物体的一些信息。

如果满足上述所有标准,则峰值在任何地方都对齐,并且随着时间的推移保持对齐。因此光束是完全相干的。(请注意,完全相干在物理上是不可能的,但许多光束(例如激光束)可以非常接近于完全相干)。普通光,例如来自白炽灯泡或火的光,是不连贯的。来自火的光包含不同的光波,这些光波的频率不同、相位不同、行进方向不同且偏振态不同。聚焦非相干光,例如使用玻璃透镜,不会使光波具有相同的频率、相同的相位、相同的局部方向或相同的偏振。因此,聚焦非相干光不会使其像激光束一样相干。

激光中的受激发射现象非常有用,因为它产生的光通常在时间、光谱、空间和偏振上是相干的。受激发射意味着当一点光(一个光子)出现并将电子击倒到未激发状态时,电子处于激发态,使其在此过程中发射另一位光(另一个光子)。在击倒电子的过程中,原始光子导致新光子与其相干。这个过程以多米诺骨牌的方式重复;每次都会向光束中添加一个与原始光子相干的新光子。受激发射并不像听起来那么奇特,实际上一直在发生。设计工作激光器的难点在于使受激发射成为电子去激发的主要方式。在一块规则的物质中,被激发的电子最常通过与其他电子或原子碰撞而去激发,从而失去其能量来加热,或者通过自发地发射一些非相干光。因此,设计激光器涉及使受激电子的受激发射跃迁非常有可能,并使其他跃迁可能性降低。

请注意,受激发射并不是产生相干光束的唯一方法。对于可见光等高频波,受激发射是产生相干光束的最有效方式。但是对于无线电波等低频波,只需将正弦波电流驱动到天线中,就更容易产生相干波束。由以单一频率驱动的天线产生的波(例如那些承载无线电台广播的波)是相干的。这种广播无线电波在技术上不是激光束,因为它们不是由受激发射产生的,但它们具有激光束所有有用的相干特性。警察的雷达测速枪比大多数人意识到的更类似于演示激光笔。两者都是发射一束相干电磁波的手持设备。两者都没有使用聚焦来创建光束的相干性。