圖1:在典型的氣體激光器中，增益介質(zhì)呈細長的圓柱形。腔體由兩個鏡子限定。一種是部分反射，允許輸出光束逃逸

激光腔或諧振器是系統(tǒng)的核心。在某些高增益裝置(如準分子激光器)中，通過一組受激原子或分子的單次躍遷就足以啟動激光作用;然而，對于大多數(shù)激光器來說，需要通過多次通過激光介質(zhì)來進一步提高增益。這是沿著由一組產(chǎn)生反饋的腔鏡定義的光軸實現(xiàn)的(圖1)。激光介質(zhì)(晶體，半導(dǎo)體或封閉在適當約束結(jié)構(gòu)中的氣體)沿著諧振器的光軸放置。這個獨特的具有很高光增益的軸也成為了激光束的傳播方向。另一個不同的例子是獨特的長(和靈活的!)增益軸是光纖激光器。

最簡單的空腔是由兩個相互面對的鏡子定義的——一個全反射鏡和一個部分反射鏡，其反射率可以在30%到接近100%之間變化。光在這些鏡子之間來回反射，每次通過增益介質(zhì)，光的強度都會增加。自發(fā)地向軸以外的方向發(fā)射的光子只是丟失，對激光的工作沒有貢獻。當激光被放大時，一些光通過部分反射器(輸出耦合器)逃離腔或振蕩器;然而，在平衡狀態(tài)下(所謂的“穩(wěn)定狀態(tài)”或“連續(xù)波”)，這些“光學(xué)損失”被光子在腔內(nèi)連續(xù)往返所經(jīng)歷的光學(xué)增益完全補償。激光器的輸出恰好是輸出耦合器發(fā)射的光束的一部分。在理想的激光器中，輸出光束中的所有光子都是相同的，從而產(chǎn)生完美的方向性和單色性。這決定了激光光源獨特的相干性和亮度。

單色性——光子的能量通過E = hc/λ的關(guān)系決定了它的波長，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是波長。理想的激光發(fā)射出的光子能量完全相同，波長也相同，而且是完全單色的。許多應(yīng)用都依賴于單色。例如，在電信領(lǐng)域，幾個波長稍微偏移的激光器可以在同一根光纖中以平行的脈沖流傳輸，而不會產(chǎn)生串擾。真正的激光并不完全是單色的，因為幾種增寬機制會使發(fā)射光子的頻率(和能量)變寬。例如，自由運行的YAG激光器可以具有幾十千兆赫的線寬，而穩(wěn)定的二極管泵浦YAG激光器可以具有<1 kHz的線寬。這些展寬機制中最著名的是多普勒展寬，它由組成活性氣體介質(zhì)的原子集合中的速度分布決定。

相干性——除了具有相同的波長外，構(gòu)成理想激光束的光子都是同相位的(圖2)，或“相干的”，從而產(chǎn)生以均勻波前傳播的電場。理想的表示是平面波沿給定方向以平坦波前傳播，并且垂直于該方向的每個平面在給定時間經(jīng)歷相同的電場和磁場振幅和相位。當兩個具有這種特征的波相互作用時，就會產(chǎn)生干涉圖案，就像楊的實驗一樣。真實的激光束在某種程度上偏離了這種理想的行為，但它們?nèi)匀皇亲罱咏硐氲南喔善矫娌ǖ墓庠矗⑶宜鼈兪挂蕾囉诠飧缮娴脑S多應(yīng)用成為可能。例如，精密透鏡和鏡子的表面是用激光干涉儀測量的，用于追蹤和探測引力波的幾英里長的干涉儀的干涉模式的微小變化也是如此。

圖2：激光與傳統(tǒng)光的不同之處在于，所有光波都是同相的

亮度(或者更準確地說，亮度)——激光和傳統(tǒng)光源之間最明顯的區(qū)別是，所有發(fā)射的光都以強光束的方式沿同一方向傳播。亮度定義為每單位表面面積和單位立體角離開光源的光量。像太陽這樣的恒星從單位表面積上發(fā)射出大量的輻射，但這些輻射是向許多不同的方向發(fā)射的。相反，激光束是高度定向的，其結(jié)果是它的亮度比地球表面所經(jīng)歷的太陽要強烈得多。由于這個原因，僅僅5毫瓦的激光筆的功率就比陽光直射對眼睛更“致盲”(也更危險)。

由于其高輻射率，激光束可以投射很遠的距離或聚焦到一個非常小的點上。精心設(shè)計的激光器產(chǎn)生的光束只會以衍射定律規(guī)定的最小量膨脹(“發(fā)散”)。例如，衍射要求激光束可以產(chǎn)生的最小光斑大約等于其波長。

審核編輯 黃宇