激光是(shi)20世紀(ji)以(yi)來，在(zai)科技領域(yu)中繼原子能(neng)、計算機(ji)、半(ban)導(dao)體之(zhi)(zhi)后，人類的又一重大發明(ming)。在(zai)了解(jie)什么(me)是(shi)激光的相干性之(zhi)(zhi)前，首先介紹下激光的基本原理吧。

激(ji)光(guang)，原名“鐳射(she)”，英文(wen)名稱(cheng)LASER的音譯(yi)，取(qu)(qu)自英文(wen)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母，意(yi)思是“通過受激(ji)輻射(she)光(guang)擴大”，1964年，中國科學家(jia)錢學森先生致函《光(guang)受激(ji)發射(she)情報(bao)》編輯部（期刊《激(ji)光(guang)與光(guang)電子學進展》前身），為LASER取(qu)(qu)了(le)一個貼切而傳(chuan)神的中譯(yi)名“激(ji)光(guang)”。

激光(guang)的原(yuan)理

激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)（通(tong)過受激(ji)輻射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)擴大(da)(da)(da)），顧名思義，表示光(guang)(guang)(guang)(guang)受激(ji)輻射(she)(she)(she)(she)產生新的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)，然后(hou)放大(da)(da)(da)得(de)到新的(de)發(fa)射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)。何謂受激(ji)輻射(she)(she)(she)(she)？其(qi)過程大(da)(da)(da)致(zhi)是這(zhe)樣的(de)：假設某(mou)一(yi)(yi)原子(zi)一(yi)(yi)開始處于高能(neng)級E2，當能(neng)量(liang)為hν的(de)外來光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)正好等(deng)于某(mou)一(yi)(yi)對能(neng)級之差E2－E1，那么該原子(zi)就可(ke)以在此外來光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)的(de)誘(you)(you)發(fa)下(xia)從高能(neng)級E2向(xiang)(xiang)低(di)能(neng)級E1躍(yue)遷，然后(hou)發(fa)出與(yu)誘(you)(you)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)全(quan)同(tong)(tong)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)，不僅頻率(lv)（能(neng)量(liang)）相同(tong)(tong)，而且發(fa)射(she)(she)(she)(she)方(fang)向(xiang)(xiang)、偏振方(fang)向(xiang)(xiang)以及(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)波的(de)相位都完(wan)全(quan)一(yi)(yi)樣（這(zhe)個就是激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)相干性）。這(zhe)意味著，入射(she)(she)(she)(she)一(yi)(yi)個光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)就會出射(she)(she)(she)(she)兩個完(wan)全(quan)相同(tong)(tong)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)，這(zhe)就是光(guang)(guang)(guang)(guang)信號(hao)被放大(da)(da)(da)的(de)原理，見圖1。

圖1 受激輻射(she)原(yuan)理圖

但(dan)是(shi)別高興得太早，一個(ge)外來(lai)光(guang)子(zi)(zi)即能(neng)(neng)夠引起(qi)受(shou)激(ji)(ji)輻(fu)射，同時(shi)也會產(chan)生受(shou)激(ji)(ji)吸(xi)收（吸(xi)收外來(lai)光(guang)子(zi)(zi)，然(ran)后(hou)讓(rang)(rang)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)從E1能(neng)(neng)級(ji)(ji)躍(yue)遷到E2能(neng)(neng)級(ji)(ji)）。顯然(ran)，如果要(yao)產(chan)生激(ji)(ji)光(guang)，前(qian)提(ti)條(tiao)件是(shi)受(shou)激(ji)(ji)輻(fu)射效(xiao)應要(yao)大(da)于(yu)受(shou)激(ji)(ji)吸(xi)收效(xiao)應。但(dan)是(shi)，在(zai)正常情(qing)況(kuang)（熱平衡(heng)狀態）下，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)幾乎都(dou)處(chu)于(yu)min能(neng)(neng)級(ji)(ji)（基(ji)態）上，就(jiu)跟(gen)小編(bian)一樣，能(neng)(neng)坐(zuo)著堅決(jue)不(bu)站著，能(neng)(neng)躺著堅決(jue)不(bu)坐(zuo)著。所(suo)以(yi)，產(chan)生激(ji)(ji)光(guang)一個(ge)max的前(qian)提(ti)：要(yao)形成粒子(zi)(zi)數(shu)反轉，讓(rang)(rang)更多(duo)的原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)處(chu)于(yu)高能(neng)(neng)級(ji)(ji)上。然(ran)后(hou)我們花了很多(duo)年的時(shi)間，終于(yu)找(zhao)到了某些特定(ding)的工作物(wu)質，讓(rang)(rang)它(ta)在(zai)特定(ding)的條(tiao)件下（原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的兩個(ge)能(neng)(neng)級(ji)(ji)處(chu)于(yu)非熱平衡(heng)狀態），可以(yi)形成粒子(zi)(zi)數(shu)反轉。

那么激(ji)(ji)光器的(de)基本組成(cheng)部分大(da)致也有點眉目了，應該包括這(zhe)(zhe)三個方(fang)面：工作(zuo)物(wu)(wu)質、激(ji)(ji)勵源、諧(xie)振腔，如圖2所示。工作(zuo)物(wu)(wu)質，就是我們尋找的(de)材料，用來在此物(wu)(wu)質中形成(cheng)粒(li)(li)子數(shu)(shu)反(fan)(fan)轉(zhuan)；激(ji)(ji)勵源，就是用來激(ji)(ji)發工作(zuo)物(wu)(wu)質的(de)原子體系(xi)，實現這(zhe)(zhe)個特定條件(jian)（上能級的(de)粒(li)(li)子數(shu)(shu)增加(jia)，粒(li)(li)子數(shu)(shu)反(fan)(fan)轉(zhuan)）；諧(xie)振腔，激(ji)(ji)光形成(cheng)的(de)腔體，一般由兩(liang)面反(fan)(fan)射(she)鏡（在激(ji)(ji)光器兩(liang)端(duan)）組成(cheng)，讓光在諧(xie)振腔中來回振蕩，造成(cheng)連鎖反(fan)(fan)應，雪崩放大(da)，從而在輸出(chu)反(fan)(fan)射(she)鏡處出(chu)射(she)激(ji)(ji)光。

圖2 激光器結構

激(ji)光(guang)產生的原理，決定了(le)激(ji)光(guang)區別(bie)于其他普通光(guang)源(yuan)的四種(zhong)特(te)性(xing)(xing)：單色性(xing)(xing)、相(xiang)干(gan)性(xing)(xing)、方向(xiang)性(xing)(xing)和高(gao)亮度。實際(ji)上(shang)，這四種(zhong)特(te)性(xing)(xing)從本質上(shang)也可以歸結為一個(ge)：激(ji)光(guang)具有很(hen)高(gao)的光(guang)子簡并度，換句話說，激(ji)光(guang)在很(hen)大的相(xiang)干(gan)體(ti)積(ji)內具有很(hen)高(gao)的相(xiang)干(gan)光(guang)強。

接下來進入(ru)正題，什么(me)是激光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)(xing)(xing)。激光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)(xing)(xing)可以分(fen)為空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)(xing)(xing)和時(shi)間(jian)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)(xing)(xing)二(er)種(zhong)，分(fen)別表示空(kong)(kong)間(jian)不同位置光(guang)(guang)(guang)波場(chang)某些(xie)特性(xing)(xing)(xing)(xing)（例如相(xiang)位）之間(jian)的(de)(de)(de)相(xiang)關性(xing)(xing)(xing)(xing)和空(kong)(kong)間(jian)點在不同時(shi)刻(ke)光(guang)(guang)(guang)波場(chang)之間(jian)的(de)(de)(de)相(xiang)關性(xing)(xing)(xing)(xing)。而通常我們定性(xing)(xing)(xing)(xing)地用楊氏(shi)雙縫干(gan)(gan)(gan)涉(she)實驗的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)涉(she)條紋的(de)(de)(de)清晰程(cheng)度來判別光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)(xing)(xing)程(cheng)度。

空間相干性(xing)和(he)方(fang)向性(xing)

激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)方向性(xing)(xing)(xing)，我(wo)們(men)一般(ban)用光(guang)(guang)(guang)束發(fa)散角(jiao)來定(ding)(ding)義，而激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)空間(jian)相干(gan)性(xing)(xing)(xing)和(he)方向性(xing)(xing)(xing)是緊密(mi)關聯的(de)。當(dang)光(guang)(guang)(guang)束發(fa)散角(jiao)小于一定(ding)(ding)的(de)程(cheng)度，光(guang)(guang)(guang)束才會具有一定(ding)(ding)的(de)空間(jian)相干(gan)性(xing)(xing)(xing)。舉個簡單的(de)例子，普通光(guang)(guang)(guang)源譬如手電筒發(fa)散角(jiao)非(fei)常(chang)(chang)大，顯然不具有空間(jian)相干(gan)性(xing)(xing)(xing)。如果一個平面波是完全空間(jian)相干(gan)光(guang)(guang)(guang)，那么其發(fa)散角(jiao)就為零。對(dui)于激(ji)光(guang)(guang)(guang)器而言，產(chan)生(sheng)的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)都非(fei)理想光(guang)(guang)(guang)源，通常(chang)(chang)我(wo)們(men)用橫(heng)模(mo)和(he)縱模(mo)對(dui)其進(jin)行分(fen)析。橫(heng)模(mo)表示(shi)橫(heng)向光(guang)(guang)(guang)場分(fen)布（用TEMmn表示(shi)），縱模(mo)表示(shi)軸向光(guang)(guang)(guang)場分(fen)布（即(ji)諧振(zhen)頻率）。而激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)空間(jian)相干(gan)性(xing)(xing)(xing)和(he)方向性(xing)(xing)(xing)就和(he)橫(heng)模(mo)有直接的(de)關系，只(zhi)有一個TEM00模(mo)（基模(mo)）時，那么激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)相干(gan)性(xing)(xing)(xing)就非(fei)常(chang)(chang)好；如果存在多個橫(heng)模(mo)（不同橫(heng)模(mo)之(zhi)間(jian)是非(fei)相干(gan)的(de)），那么相干(gan)性(xing)(xing)(xing)程(cheng)度就會降(jiang)低。

時間相干性(xing)和單色(se)性(xing)

時(shi)(shi)間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)與光(guang)(guang)源的(de)單(dan)色性(xing)(xing)直接(jie)相(xiang)(xiang)(xiang)關。光(guang)(guang)源原子(zi)一次(ci)發光(guang)(guang)時(shi)(shi)間(jian)越(yue)(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，通過雙縫干(gan)(gan)(gan)(gan)涉觀(guan)察到的(de)條紋越(yue)(yue)(yue)(yue)多，我們就(jiu)(jiu)說時(shi)(shi)間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，而光(guang)(guang)源原子(zi)發光(guang)(guang)時(shi)(shi)間(jian)我們就(jiu)(jiu)稱為(wei)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)時(shi)(shi)間(jian)，相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)時(shi)(shi)間(jian)內的(de)波列長(chang)(chang)(chang)(chang)度叫做(zuo)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)長(chang)(chang)(chang)(chang)度。相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)長(chang)(chang)(chang)(chang)度L越(yue)(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，干(gan)(gan)(gan)(gan)涉條紋越(yue)(yue)(yue)(yue)清(qing)晰(xi)，表示相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)(yue)好(hao)。假設某一激光(guang)(guang)器發出λ1~λ2之間(jian)的(de)光(guang)(guang)波頻率的(de)波（理想的(de)單(dan)色光(guang)(guang)是不存在的(de)），那么(me)可以證(zheng)(zheng)明相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)長(chang)(chang)(chang)(chang)度L=λ^2/Δλ（篇幅關系，證(zheng)(zheng)明過程(cheng)略(lve)），Δλ=λ2-λ1。當Δλ越(yue)(yue)(yue)(yue)小，也就(jiu)(jiu)是λ2和λ1越(yue)(yue)(yue)(yue)接(jie)近(jin)，單(dan)色性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)(yue)好(hao)，相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)長(chang)(chang)(chang)(chang)度L越(yue)(yue)(yue)(yue)大，相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)(yue)(yue)好(hao)。

圖3 激光波長(chang)示意(yi)圖

激光高(gao)亮度和強(qiang)相(xiang)干性

激光(guang)(guang)的(de)(de)高(gao)亮度(du)(du)是(shi)區別于普通光(guang)(guang)源的(de)(de)重要特征(zheng)，而目前(qian)提(ti)高(gao)輸出(chu)功(gong)率(lv)和效率(lv)也(ye)(ye)是(shi)發展(zhan)激光(guang)(guang)器的(de)(de)重要課題。利用調Q、鎖模(mo)、脈寬壓縮技術(shu)可以大(da)(da)大(da)(da)地(di)提(ti)高(gao)激光(guang)(guang)器的(de)(de)輸出(chu)功(gong)率(lv)，當把激光(guang)(guang)器的(de)(de)激光(guang)(guang)功(gong)率(lv)集中在(zai)一(yi)個或者少數幾(ji)個模(mo)式中時，也(ye)(ye)就意味著(zhu)提(ti)高(gao)了光(guang)(guang)子的(de)(de)簡并(bing)度(du)(du)，相干性(xing)就越好。一(yi)臺高(gao)功(gong)率(lv)的(de)(de)激光(guang)(guang)的(de)(de)亮度(du)(du)甚至可以達到(dao)太陽表面亮度(du)(du)的(de)(de)幾(ji)百萬倍。

激光相干(gan)性(xing)調(diao)控(kong)

前面講了激(ji)光(guang)(guang)(guang)的原理以(yi)(yi)及(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)的相(xiang)干(gan)(gan)性。下面簡單介紹下調(diao)(diao)控激(ji)光(guang)(guang)(guang)相(xiang)干(gan)(gan)性的方(fang)法。激(ji)光(guang)(guang)(guang)相(xiang)干(gan)(gan)度大小(xiao)的調(diao)(diao)控方(fang)法多種多樣，主要可以(yi)(yi)分為兩類(lei)：一是(shi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)諧振(zhen)腔外加光(guang)(guang)(guang)學(xue)元件(jian)調(diao)(diao)控激(ji)光(guang)(guang)(guang)相(xiang)干(gan)(gan)度大小(xiao)；二是(shi)在激(ji)光(guang)(guang)(guang)諧振(zhen)腔內放(fang)置光(guang)(guang)(guang)學(xue)元件(jian)調(diao)(diao)控激(ji)光(guang)(guang)(guang)相(xiang)干(gan)(gan)度大小(xiao)。

圖4 腔(qiang)外調控相干(gan)度大小。

（a）實驗裝(zhuang)置圖；（b）相干度大小實驗結果圖

相干度(du)大(da)小(xiao)腔外(wai)調控常(chang)用的(de)(de)(de)(de)方法是(shi)通過(guo)動態(tai)散(san)射(she)體(ti)（例如旋轉的(de)(de)(de)(de)毛(mao)玻璃(li)、動態(tai)液晶光(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)等）降(jiang)低(di)激(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)相干度(du)大(da)小(xiao)，如圖4（a）所示，一束(shu)(shu)激(ji)光(guang)(guang)(guang)經過(guo)透(tou)鏡L1聚(ju)焦后照射(she)到動態(tai)散(san)射(she)體(ti)，從動態(tai)散(san)射(she)體(ti)出來的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)可以近似為非(fei)相干光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)，經透(tou)鏡L2以及濾波器(qi)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)傅里葉變換系統(tong)之后，便可產生(sheng)高斯謝(xie)爾模（GSM）光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)（典型(xing)的(de)(de)(de)(de)部分相干激(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)），通過(guo)控制(zhi)透(tou)鏡L1到動態(tai)散(san)射(she)體(ti)直(zhi)接的(de)(de)(de)(de)距離z來控制(zhi)動態(tai)散(san)射(she)體(ti)上的(de)(de)(de)(de)聚(ju)焦光(guang)(guang)(guang)斑(ban)大(da)小(xiao)，當聚(ju)焦光(guang)(guang)(guang)斑(ban)越(yue)(yue)大(da)，得到的(de)(de)(de)(de)GSM光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)相干度(du)越(yue)(yue)小(xiao)。

圖(tu)5腔內調控(kong)激光(guang)相干度大小的實驗裝置(zhi)圖(tu)

圖5為(wei)腔(qiang)(qiang)內調控(kong)(kong)激光(guang)(guang)相(xiang)干度大(da)(da)小(xiao)的(de)實驗(yan)裝置圖，腔(qiang)(qiang)內調制的(de)核心(xin)技術是在諧(xie)振腔(qiang)(qiang)內插入(ru)一個大(da)(da)小(xiao)可控(kong)(kong)的(de)小(xiao)孔，通過控(kong)(kong)制小(xiao)孔的(de)大(da)(da)小(xiao)控(kong)(kong)制腔(qiang)(qiang)內激光(guang)(guang)振蕩模數（前面空間(jian)相(xiang)干性中提到(dao)的(de)橫模TEMnm），從而控(kong)(kong)制輸出激光(guang)(guang)束的(de)相(xiang)干度大(da)(da)小(xiao)。

激光(guang)相干性調控的(de)應用

前面(mian)講(jiang)了(le)什(shen)么是激(ji)(ji)光(guang)的(de)相(xiang)干性(xing)，以及如何來調控(kong)激(ji)(ji)光(guang)的(de)相(xiang)干度。那么重要的(de)問題來了(le)，我(wo)們為什(shen)么要來調控(kong)激(ji)(ji)光(guang)的(de)相(xiang)干性(xing)，那么就讓小編帶你來看看有哪些(xie)實實在在的(de)應用吧(ba)。

自由(you)空(kong)間(jian)光通(tong)信中的應(ying)用

近年來，由(you)于(yu)激光(guang)(guang)的(de)方向性強(qiang)、光(guang)(guang)功率集中、難以竊(qie)聽、成本低(di)、安裝快等特點，激光(guang)(guang)越來越多地應(ying)用于(yu)自(zi)由(you)空間光(guang)(guang)通信中，但是(shi)光(guang)(guang)束在大氣(qi)中傳(chuan)輸(shu)時(shi)(shi)容易受(shou)到微小粒子、氣(qi)溶膠、溫度(du)梯(ti)度(du)引(yin)起折射率隨機(ji)(ji)變化(hua)等因素影(ying)響(xiang)，使得(de)激光(guang)(guang)束的(de)光(guang)(guang)強(qiang)分布、相位(wei)分布在時(shi)(shi)間和空間上隨機(ji)(ji)起伏、波前扭曲變形(xing)、光(guang)(guang)強(qiang)閃(shan)爍、光(guang)(guang)束彎曲和偏移(yi)等現象。而部分相干光(guang)(guang)束在湍流(liu)大氣(qi)中傳(chuan)輸(shu)就(jiu)能夠更好地克(ke)服(fu)湍流(liu)等大氣(qi)方面帶來的(de)負(fu)面影(ying)響(xiang)。

光束整形中的應用

對激(ji)光(guang)(guang)束(shu)相干度大小(xiao)的調控，同樣也可(ke)以實現光(guang)(guang)束(shu)整(zheng)形，產(chan)生空心(xin)、平頂、陣列等(deng)光(guang)(guang)強分布(bu)，從而(er)在(zai)激(ji)光(guang)(guang)加工、激(ji)光(guang)(guang)武(wu)器等(deng)領(ling)域中有重要的應用前景。

微粒俘獲中的應用

激光(guang)相干性(xing)調控，不僅能夠(gou)如(ru)同完全相干性(xing)激光(guang)一(yi)樣，調控激光(guang)的相位產生光(guang)阱從(cong)(cong)而(er)形成光(guang)鑷（上一(yi)期什么(me)是光(guang)鑷中有(you)具(ju)體論述），而(er)且由(you)于部分(fen)相干性(xing)，可以避(bi)免(mian)熱效(xiao)應問題，從(cong)(cong)而(er)保護(hu)細胞不受損傷。

（來源：網站，版權(quan)歸原作者）