光学基础知识讲座
——问题二：什么是激光相干性？
何卓明
激光是20世纪以来人类继原子能、计算机、半导体之后在科技领域的又一重大发明。 在了解什么是激光的相干性之前，我们先介绍一下激光的基本原理。
激光，原名“激光”，是英文名LASER的音译，取自英文单词“Light by of”的首字母，意思是“通过辐射的受激辐射进行光膨胀”。 1964年，我国著名科学家钱学森先生致信《光受激发射情报》编辑部（《激光与光电子学进展》杂志的前身）给LASER起了一个贴切而富有表现力的中文译名“激光” 。
激光原理
激光（受激辐射光放大），顾名思义，就是光的受激发射产生新的光子，然后将其放大以获得新的发射光。 什么是受激辐射？ 过程大致是这样的：假设一个原子最初处于高能级E2，当一个能量为hυ的外部光子恰好等于某对能级E2-E1之间的差值时，则可以诱导该原子由外部光子。 它从高能级E2跃迁到低能级E1，然后发射与感生光子相同的光子。 不仅频率（能量）相同，而且光波的发射方向、偏振方向和相位也完全相同（这就是激光的相干性）。 这意味着当一个光子入射时，将发射两个相同的光子。 这就是放大光信号的原理，见图1。但是不要太兴奋太早。 外部光子可以引起受激发射和受激吸收（吸收外部光子然后导致原子从E1能级跃迁到E2能级）。 显然，要产生激光，前提是受激发射效应大于受激吸收效应。 然而，在正常情况下（热平衡状态），原子几乎总是处于最低能级（基态）。 就像小编一样，能坐下的就永远不会站着，能躺着的就永远不会坐下。 因此，产生激光的最大先决条件之一就是必须存在粒子数反转在双缝干涉实验中，以便更多的原子处于高能级。 然后我们花了很多年，终于找到了一些在特定条件下（原子的两个能级处于非热平衡）可以形成粒子数反转的特定工作物质。 显然，并不是所有物质都可以用作工作物质，好吧，那是废话。
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就有些模糊了，应该包括这三个方面：工作物质、激发源、谐振腔，如图2所示。工作物质就是我们要找的材料，它是用来在该物质中形成粒子数反转； 激发源是用来激发工作物质以达到这一特定条件的原子系统（上能级粒子数增加，粒子数反转） 谐振腔，激光形成的腔体，一般由两个反射镜（在激光器的两端），使光在谐振腔中来回振荡，引起链式反应、雪崩放大，并在输出镜处发射激光。
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大特点：单色性、相干性、方向性和高亮度。 事实上，这四个特性本质上可以归结为一个：激光具有高光子简并性。 换句话说，激光在大的相干体积内具有高相干光强度。 好吧，我承认这句话还不够流行。 如果有兴趣，可以参考《中国激光》杂志主编周秉坤院士所著的《激光原理》一书。
没关系，我们进入正题，什么是激光的相干性。 激光的相干性可分为空间相干性和时间相干性两种，分别表示空间中不同位置的光波场某些特征（如相位）之间的相关性以及不同位置的光波场之间的相关性。不同时间的空间点。 通常，我们定性地用杨氏双缝干涉实验中干涉条纹的清晰度来判断光束的相干程度。
激光的方向性一般由光束发散角来定义，激光的空间相干性与方向性密切相关。 当光束发散角小于一定角度时，光束将具有一定的空间相干性。 举个最简单的例子，手电筒等普通光源的发散角非常大，显然不具备空间相干性。 如果平面波是完全空间相干光，那么它的发散角为零。 对于激光器来说，产生的激光并不是理想的光源，我们通常用横模和纵模来分析。 横模代表横向光场分布（用TEMmn表示），纵模代表轴向光场分布（即谐振频率）。 激光的空间相干性和方向性与横模直接相关。 当只有一种TEM00模（基模）时，激光的相干性很好； 如果存在多个横模（不同横模之间的差异相干），那么相干程度就会降低。
时间相干性与光源的单色性直接相关。 光源原子一次发光的时间越长，通过双缝干涉观察到的条纹越多，时间相干性就越长。 光源原子发光的时间称为相干时间，相干时间内的波列长度称为相干长度。 。 相干长度L越长，干涉条纹越清晰，表明相干性越好。 假设某激光器发出的光波频率在λ1和λ2之间（理想的单色光不存在），那么可以证明相干长度L=λ^2/Δλ（限于篇幅，证明过程省略）物理资源网，Δλ=λ2-λ1。 当Δλ越小时，即λ2和λ1越接近，单色性越好，相干长度L越大，相干性越好。
图3 激光波长示意图
激光的高亮度是其区别于普通光源的重要特点。 目前，提高输出功率和效率也是激光器发展的重要问题。 采用调Q、锁模、脉宽压缩等技术可以大大提高激光器的输出功率。 当激光器的激光功率集中在一种或几种模式时，意味着光子的简并性和相干性得到改善。 性爱越好。 高功率激光的亮度甚至可以达到太阳表面亮度的数百万倍。
激光相干控制
前面我讲了激光的原理和激光的相干性。 下面简单介绍一下控制激光相干性的方法。 控制激光相干性的方法有很多种，主要可分为两类：一是在激光谐振腔中添加光学元件来控制激光相干性；二是在激光谐振腔中添加光学元件来控制激光相干性； 另一种是在激光谐振腔内放置光学元件来控制激光相干性。
图 4. 相干性的腔外控制。 (a) 实验装置图； (b) 相干度实验结果图
控制腔外相干性最常用的方法是通过动态散射体（如旋转毛玻璃、动态液晶光调制器等）来降低激光束的相干性。 如图 4(a) 所示，激光束穿过透镜。 经过L1聚焦后，照亮动态散射体。 从动态散射体发出的光束可以近似为非相干光束。 高斯谢尔模式（GSM）光束（典型的部分相干激光束）经过由透镜L2和滤光片组成的傅里叶变换系统后，通过控制距透镜L1的直接距离z来控制动态散射体上的焦点大小到动态散射体。 当焦点较大时，产生的 GSM 光束的相干性较小。
图5 腔内控制激光相干性实验装置示意图
图5是控制腔内激光相干性的实验装置示意图。 腔内调制的核心技术是在谐振腔内插入尺寸可控的小孔，通过控制小孔的尺寸来控制腔内激光振荡模式（之前空间相干中提到的横模TEMnm） ），从而控制输出激光束的相干性。
激光相干控制的应用
前面我们讲了什么是激光的相干性以及如何控制激光的相干性。 那么最重要的问题来了，为什么我们需要控制激光的相干性，接下来就让小编给大家展示一些实际应用吧。
近年来，激光器以其方向性强、光功率集中、不易窃听、成本低廉、安装快捷等优点在自由空间光通信中得到越来越多的应用。 然而，光束在大气中传输时容易受到微小颗粒的干扰。 受气溶胶和温度梯度引起的折射率随机变化等因素影响，激光束的强度分布和相位分布在时间和空间上随机波动、波前畸变和形变、强度闪烁、光束弯曲和偏转等现象。 在湍流大气中传输部分相干光束可以更好地克服湍流和其他大气方面的负面影响。
通过控制激光束的相干性，还可以对光束进行整形，产生空心、平顶、阵列等光强分布，在激光加工、激光武器等领域具有重要的应用前景。
激光相干控制不仅可以控制激光的相位，形成光陷阱在双缝干涉实验中，形成像完全相干激光一样的光镊（在上一期什么是光镊中详细讨论过），还可以避免因部分光镊而产生的热效应问题。连贯性。 从而保护细胞免受损伤。
参考：
陈亚红，蔡阳健。 激光相干控制及应用[J]. 光学学报, 2016, 36(10).
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