激光为何能走出准直的圆柱形？

在漆黑的夜晚，我们按下一般手电筒的开关，我们看到的光束是不断发散的。而当我们按下激光笔的开关，我们可以看到笔直的、界限分明的圆柱形光线。为什么激光的光束看起来不是发散的？在这种奇妙现象中起到关键作用的是一个叫“光学谐振腔”的精密装置，可以看作两面相互平行的镜子，光子在其中通过“受激辐射”这一过程不断自我复制、放大。而只有飞行方向与两面镜子的轴线高度平行的光子才能留在赛场内赢得放大机会；方向稍有偏差的光子，很快就会被淘汰。被筛选过的光就是我们看到的激光。一束“纯粹”的激光从何而来？光是什么？光是一种可以在真空中传播的电磁波，同时也是一种由光子构成的粒子流。光从哪里来？要理解激光从何而来，我们首先需要知道光是怎么来的。普通物质是由原子构成的，原子中有很多个电子，这些电子的能量有高有低。一般情况下，物质中的电子所处的会使得原子的能量处于能量较低的状态，这个状态我们叫原子处于低能级。如果用了某种手段，让原子的能量变高，即让它的电子跑到能量更高的位置上去，这个状态我们叫原子处于高能级。可以这么想，低能级是电子在山脚，而高能级是电子在山峰。我们利用电能、热能等能量将电子从山脚推往山峰，原子从山峰到山脚，会放出能量，而这种能量是以光子的形式发出的，很多光子进入我们的眼睛，就形成了我们看到的光。常见的光源，比如白炽灯、激光等，都是这种发光机制。那么激光与普通光源的区别在哪里？就如我们所看到的那样，手电筒的光、室内天花板上的灯，他们的光束能够覆盖的范围很大，光源相比很小；激光的光束覆盖的范围和光源大小相比差别不大。其实就是因为手电筒光束的光子是朝向四面八方的，而激光的光子的运动方向基本是一致的。激光：受激辐射简单来说，当一个光子“路过”一个处在高能级的原子时，它会“刺激”这个原子，使其释放出一个与自身一模一样的光子。这个新光子能量与运动方向与原来的光子完全相同，且二者其振动方向一致，步调完全相同，称相干性良好。激光：谐振腔

图1光学谐振腔工作原理示意图(图片来源:Sgbeer / Wikimedia Comons, CC-by-sa ver.4.0)

激光具体是怎么来的呢？这就要涉及到一个核心装置-“光学谐振腔”。光学谐振腔是由两块平行的反射镜构成，一端是全反射镜，光子打在上面只会“反弹”。另一端是部分反射镜，光子打在上面有概率“反弹”，也有概率出射。最初，我们通过谐振腔外部的能源让谐振腔内的工作物质的高能级原子多于低能级原子，高能级原子就有可能自发放出能量，即光子，这些光子是向各个方向飞散的。这些光子发生上述的受激辐射过程，产生新的与它们相同的光子，在腔内反射并再次发生受激辐射，重复这个过程，产生“雪崩效应”，这些光子有与镜子不垂直的，最后会从谐振腔的侧面出射，而恰好与沿轴线方向飞行的光子，它们将在两块反射镜间不断反射，经过工作物质产生新的的与他们相干性良好的光子，不断加强，当这些光子组成的光束的光强足以克服各种损耗时，一部分光会透过部分反射镜稳定的输出，形成我们所见到的激光。我们为什么能看见“无形”的激光？如果在没有任何杂质的空气中，一束激光不管有多强，我们的眼睛都是看不到的。之所以能看见激光，是因为光的散射现象的存在。具体来说就是光在传播过程中，与物质相互作用，导致其部分光偏离原来的传播方向，而向四面八方传播的现象。而激光在空气传播过程与气溶胶粒子、烟尘、水汽、花粉等尺度与激光波长相近的微小粒子，而发生了散射，散射出来的光进入到我们的眼睛，我们就看到了激光的光束。

图2 激光的散射(本文作者 制图)

激光为何能笔直前进，形如圆柱？形如圆柱：光学谐振腔的对阵性激光是在“光学谐振腔”的结构中产生和放大的。这个结构本身就是一个完美的圆柱形旋转对称体。光子在这个腔体内来回反射，只有那些传播方向与轴线非常接近的光才能被稳定放大。由于腔体在横截面上是各向同性的（没有哪个方向是特殊的），最终形成的稳定光场在横截面上也必然是对称的。而最完美的对称形状，就是圆形。笔直前进：谐振腔的作用

图3 激光谐振腔（图片来源:Tatoute / Wikimedia Comons, CC-by-sa ver.2.5）

激光的笔直前进其实在光学谐振腔内就已经注定，前面讲过光学谐振腔由两面平行反射镜构成，只有飞行方向与两镜面近乎绝对平行的光子，才能在镜面间不断反射并被持续放大，而飞行方向与轴线有轴线方向有显著夹角的光子，它们就像偏离赛道的选手，在经过几次反射后，就会从侧面飞出谐振腔，所以最终输出的几乎都是沿轴线方向飞行的光子组成的光束。自然，光束是笔直前进的。形如圆柱：高斯分布的描述常见的激光光束在其横截面上光强的分布可以用高斯分布来描述，该光强分布是圆形的-中心最亮，然后沿着截面上任意方向均匀且连续的衰减到零，且衰减速度相同。不完美的圆柱：激光光束的扩散激光光束其实并不是严格的圆柱形，这是因为激光光束也会发生衍射，导致激光光束发散。发生衍射现象后，激光光束在一段距离内的发散角极其微小，几乎可以看作是笔直的圆柱，这段距离称为瑞利长度，他有这样一个规律，激光波长约大，瑞利长度越小，初始的光斑半径越小，瑞利长度越小，对于常见激光笔，532nm的绿色激光，如果其初始光斑直径为1mm，其瑞利长度大约是1.5m，但由于其发散角很小，大约是0.04弧度，传播147m光斑直径也只是变为原来的100倍，变成10cm，光束直径随着距离变远而变大，而人眼几乎看不出来这种变化。所以，虽然激光不是完美的圆柱形，但是由于其良好的准直性，我们看起来仍然是圆柱形的。激光之所以能走出看似笔直的圆柱形光束，正是源于其独特的产生机制与精密的光学结构。光学谐振腔如同一位严格的“裁判”，只允许方向近乎完美的光子留在“赛道”上，通过受激辐射不断复制、放大，最终形成一束方向高度一致、能量高度集中的光。而高斯分布的光强轮廓，则赋予了激光那圈圆润、均匀的“身形”。尽管激光在远距离上仍会因衍射效应微微发散，但在我们日常使用的尺度内，它的光束几乎笔直如柱，界限分明。这种“人造的纯粹”，不仅让我们在黑暗中划出一道清晰的光路，更在医疗、通信、制造、科研等领域中，成为人类探索与创造的重要工具。激光，是人类对光的理解与控制的一次飞跃。它不再只是自然界中散射的光点，而是被赋予方向与目的的光之笔，在时间与空间中，写下我们想要的模样。

参考文献[1] 周炳琨, 高以智, 陈倜嵘, 等. 激光原理[M]. 7版. 北京: 国防工业出版社, 2014.[2] 赵凯华等. 新概念物理学教程.光学[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2021.[3] 陈敏, 李焱等.光学[M]. 1版. 北京: 高等教育出版社, 2024.

       原文标题 : 科普征文 | 激光为何能走出准直的圆柱形？