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【科普】什么是激光的相干性?

2016-08-18 14:33
林契于宸
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  激光是20世纪以来,在科技领域中继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。在了解什么是激光的相干性之前,首先介绍下激光的基本原理吧。

  激光,原名“镭射”,英文名称LASER的音译,取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母,意思是“通过受激辐射光扩大”,1964年,中国著名科学家钱学森先生致函《光受激发射情报》编辑部(期刊《激光与光电子学进展》前身),为LASER取了一个贴切而传神的中译名“激光”。

  激光的原理

  激光(通过受激辐射光扩大),顾名思义,表示光受激辐射产生新的光子,然后放大得到新的发射光。何谓受激辐射?其过程大致是这样的:假设某一原子一开始处于高能级E2,当能量为hυ的外来光子正好等于某一对能级之差E2-E1,那么该原子就可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁,然后发出与诱发光子全同的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样(这个就是激光的相干性)。这意味着,入射一个光子就会出射两个完全相同的光子,这就是光信号被放大的原理,见图1。但是别高兴得太早,一个外来光子即能够引起受激辐射,同时也会产生受激吸收(吸收外来光子,然后让原子从E1能级跃迁到E2能级)。显然,如果要产生激光,前提条件是受激辐射效应要大于受激吸收效应。但是,在正常情况(热平衡状态)下,原子几乎都处于最低能级(基态)上,就跟小编一样,能坐着坚决不站着,能躺着坚决不坐着。所以,产生激光一个最大的前提:必须要形成粒子数反转,让更多的原子处于高能级上。然后我们花了很多年的时间,终于找到了某些特定的工作物质,让它在特定的条件下(原子的两个能级处于非热平衡状态),可以形成粒子数反转。显然,不是每一种物质都能够作为工作物质,好吧,这是一句废话。

图1 受激辐射原理图(图片来自网络)

  那么激光器的基本组成部分大致也有点眉目了,应该包括这三个方面:工作物质、激励源、谐振腔,如图2所示。工作物质,就是我们寻找的材料,用来在此物质中形成粒子数反转;激励源,就是用来激发工作物质的原子体系,实现这个特定条件(上能级的粒子数增加,粒子数反转);谐振腔,激光形成的腔体,一般由两面反射镜(在激光器两端)组成,让光在谐振腔中来回振荡,造成连锁反应,雪崩放大,从而在输出反射镜处出射激光。

图2 激光器结构

  激光产生的原理,决定了激光区别于其他普通光源的四种特性:单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上,这四种特性从本质上也可以归结为一个:激光具有很高的光子简并度,换句话说,激光在很大的相干体积内具有很高的相干光强。

  接下来进入正题,什么是激光的相干性。激光的相干性可以分为空间相干性和时间相干性二种,分别表示空间不同位置光波场某些特性(例如相位)之间的相关性和空间点在不同时刻光波场之间的相关性。而通常我们定性地用杨氏双缝干涉实验的干涉条纹的清晰程度来判别光束的相干性程度。

  空间相干性和方向性

  激光的方向性,我们一般用光束发散角来定义,而激光的空间相干性和方向性是紧密关联的。当光束发散角小于一定的程度,光束才会具有一定的空间相干性。举个最简单的例子,普通光源譬如手电筒发散角非常大,显然不具有空间相干性。如果一个平面波是完全空间相干光,那么其发散角就为零。对于激光器而言,产生的激光都非理想光源,通常我们用横模和纵模对其进行分析。横模表示横向光场分布(用TEMmn表示),纵模表示轴向光场分布(即谐振频率)。而激光的空间相干性和方向性就和横模有直接的关系,只有一个TEM00模(基模)时,那么激光的相干性就非常好;如果存在多个横模(不同横模之间是非相干的),那么相干性程度就会降低。

  时间相干性和单色性

  时间相干性与光源的单色性直接相关。光源原子一次发光时间越长,通过双缝干涉观察到的条纹越多,我们就说时间相干性越长,而光源原子发光时间我们就称为相干时间,相干时间内的波列长度叫做相干长度。相干长度L越长,干涉条纹越清晰,表示相干性越好。假设某一激光器发出λ1~λ2之间的光波频率的波(理想的单色光是不存在的),那么可以证明相干长度L=λ^2/Δλ(篇幅关系,证明过程略),Δλ=λ2-λ1。当Δλ越小,也就是λ2和λ1越接近,单色性越好,相干长度L越大,相干性就越好。

图3 激光波长示意图

  激光高亮度和强相干性

  激光的高亮度是区别于普通光源的重要特征,而目前提高输出功率和效率也是发展激光器的重要课题。利用调Q、锁模、脉宽压缩技术可以极大地提高激光器的输出功率,当把激光器的激光功率集中在一个或者少数几个模式中时,也就意味着提高了光子的简并度,相干性就越好。一台高功率的激光的亮度甚至可以达到太阳表面亮度的几百万倍。

  激光相干性调控

  前面讲了激光的原理以及激光的相干性。下面简单介绍下调控激光相干性的方法。激光相干度大小的调控方法多种多样,主要可以分为两类:一是激光谐振腔外加光学元件调控激光相干度大小;二是在激光谐振腔内放置光学元件调控激光相干度大小。

图4 腔外调控相干度大小。(a)实验装置图;(b)相干度大小实验结果图

  相干度大小腔外调控最常用的方法是通过动态散射体(例如旋转的毛玻璃、动态液晶光调制器等)降低激光束的相干度大小,如图4(a)所示,一束激光经过透镜L1聚焦后照射到动态散射体,从动态散射体出来的光束可以近似为非相干光束,经透镜L2以及滤波器组成的傅里叶变换系统之后,便可产生高斯谢尔模(GSM)光束(典型的部分相干激光束),通过控制透镜L1到动态散射体直接的距离z来控制动态散射体上的聚焦光斑大小,当聚焦光斑越大,得到的GSM光束的相干度越小。

图5腔内调控激光相干度大小的实验装置图

  图5为腔内调控激光相干度大小的实验装置图,腔内调制的核心技术是在谐振腔内插入一个大小可控的小孔,通过控制小孔的大小控制腔内激光振荡模数(前面空间相干性中提到的横模TEMnm),从而控制输出激光束的相干度大小。

  激光相干性调控的应用

  前面讲了什么是激光的相干性,以及如何来调控激光的相干度。那么最重要的问题来了,我们为什么要来调控激光的相干性,那么就让小编带你来看看有哪些实实在在的应用吧。

  自由空间光通信中的应用

  近年来,由于激光的方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点,激光越来越多地应用于自由空间光通信中,但是光束在大气中传输时容易受到微小粒子、气溶胶、温度梯度引起折射率随机变化等因素影响,使得激光束的光强分布、相位分布在时间和空间上随机起伏、波前扭曲变形、光强闪烁、光束弯曲和偏移等现象。而部分相干光束在湍流大气中传输就能够更好地克服湍流等大气方面带来的负面影响。

  束整形中的应用

  对激光束相干度大小的调控,同样也可以实现光束整形,产生空心、平顶、阵列等光强分布,从而在激光加工激光武器等领域中有重要的应用前景。

  微粒俘获中的应用

  激光相干性调控,不仅能够如同完全相干性激光一样,调控激光的相位产生光阱从而形成光镊(上一期什么是光镊中有具体论述),而且由于部分相干性,可以避免热效应问题,从而保护细胞不受损伤。

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