激光是(shi)20世紀以(yi)來(lai)，在科(ke)技領域中(zhong)繼(ji)原(yuan)子能、計算機、半導(dao)體之后，人類的(de)又一重大發明(ming)。在了解什么是(shi)激光的(de)相干性之前，首先介(jie)紹(shao)下激光的(de)基本原(yuan)理吧。

激(ji)光，原名“鐳射”，英(ying)文(wen)(wen)名稱LASER的(de)音譯，取(qu)自英(ying)文(wen)(wen)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的(de)首字(zi)母(mu)，意思是“通過受激(ji)輻射光擴大”，1964年，中國科學(xue)家錢學(xue)森先生致函(han)《光受激(ji)發射情(qing)報》編輯(ji)部（期(qi)刊《激(ji)光與光電子(zi)學(xue)進展》前(qian)身），為LASER取(qu)了(le)一個貼切而傳神的(de)中譯名“激(ji)光”。

激光的(de)原(yuan)理

激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)（通過受激輻射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)擴(kuo)大(da)），顧(gu)名思義(yi)，表示光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)受激輻射(she)產生(sheng)新的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，然(ran)后放(fang)大(da)得到(dao)新的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。何謂受激輻射(she)？其過程大(da)致是這樣的(de)(de)(de)(de)(de)：假(jia)設某一(yi)原(yuan)子(zi)(zi)一(yi)開始(shi)處于高能(neng)(neng)(neng)級E2，當能(neng)(neng)(neng)量為hν的(de)(de)(de)(de)(de)外來光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)正(zheng)好等于某一(yi)對能(neng)(neng)(neng)級之差E2－E1，那(nei)么該原(yuan)子(zi)(zi)就可(ke)以(yi)在此外來光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)誘(you)發(fa)下從高能(neng)(neng)(neng)級E2向(xiang)低(di)能(neng)(neng)(neng)級E1躍遷(qian)，然(ran)后發(fa)出(chu)與誘(you)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)全同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，不僅頻率（能(neng)(neng)(neng)量）相(xiang)同(tong)(tong)，而(er)且(qie)發(fa)射(she)方(fang)向(xiang)、偏(pian)振方(fang)向(xiang)以(yi)及光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)波的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)位(wei)都(dou)完全一(yi)樣（這個就是激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)干性）。這意味著(zhu)，入射(she)一(yi)個光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)就會出(chu)射(she)兩(liang)個完全相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，這就是光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)信號被放(fang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)理，見圖1。

圖1 受激(ji)輻射原理圖

但是別高(gao)興得太早，一個(ge)外(wai)來光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)即能(neng)(neng)夠引起受(shou)激(ji)(ji)輻射，同時也(ye)會產(chan)生受(shou)激(ji)(ji)吸(xi)收（吸(xi)收外(wai)來光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)，然(ran)后讓(rang)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)從E1能(neng)(neng)級躍遷到E2能(neng)(neng)級）。顯然(ran)，如果要產(chan)生激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)，前提條(tiao)件(jian)是受(shou)激(ji)(ji)輻射效應要大(da)于受(shou)激(ji)(ji)吸(xi)收效應。但是，在正常(chang)情況（熱平(ping)衡狀(zhuang)態）下，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)幾乎(hu)都處于min能(neng)(neng)級（基態）上，就(jiu)跟小編一樣，能(neng)(neng)坐著堅決(jue)不站著，能(neng)(neng)躺著堅決(jue)不坐著。所(suo)以(yi)，產(chan)生激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)一個(ge)max的(de)(de)前提：要形(xing)成(cheng)粒(li)子(zi)(zi)數反轉，讓(rang)更多(duo)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)處于高(gao)能(neng)(neng)級上。然(ran)后我們花了(le)很多(duo)年(nian)的(de)(de)時間，終(zhong)于找到了(le)某些特定的(de)(de)工(gong)作物質，讓(rang)它在特定的(de)(de)條(tiao)件(jian)下（原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)兩個(ge)能(neng)(neng)級處于非熱平(ping)衡狀(zhuang)態），可(ke)以(yi)形(xing)成(cheng)粒(li)子(zi)(zi)數反轉。

那么(me)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)(de)基本組(zu)成(cheng)部分大致也有點眉目了，應(ying)該包括這三個方(fang)面：工(gong)作(zuo)物(wu)質、激(ji)(ji)勵源、諧振腔(qiang)(qiang)，如圖(tu)2所示。工(gong)作(zuo)物(wu)質，就是(shi)我們尋(xun)找的(de)(de)材料，用來在(zai)此物(wu)質中(zhong)形(xing)成(cheng)粒子數反(fan)轉；激(ji)(ji)勵源，就是(shi)用來激(ji)(ji)發工(gong)作(zuo)物(wu)質的(de)(de)原子體系，實現(xian)這個特定條件（上能級的(de)(de)粒子數增加(jia)，粒子數反(fan)轉）；諧振腔(qiang)(qiang)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)形(xing)成(cheng)的(de)(de)腔(qiang)(qiang)體，一般由兩面反(fan)射(she)(she)(she)鏡（在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器兩端）組(zu)成(cheng)，讓光(guang)(guang)在(zai)諧振腔(qiang)(qiang)中(zhong)來回振蕩，造成(cheng)連鎖(suo)反(fan)應(ying)，雪(xue)崩放大，從而在(zai)輸出(chu)反(fan)射(she)(she)(she)鏡處(chu)出(chu)射(she)(she)(she)激(ji)(ji)光(guang)(guang)。

圖2 激光(guang)器結構(gou)

激(ji)光(guang)產(chan)生的(de)(de)原理，決定了激(ji)光(guang)區(qu)別于其他普通光(guang)源(yuan)的(de)(de)四種特(te)性(xing)：單色性(xing)、相干(gan)性(xing)、方向性(xing)和高亮度(du)。實(shi)際上，這四種特(te)性(xing)從本質(zhi)上也可(ke)以歸結為一個：激(ji)光(guang)具(ju)有很(hen)高的(de)(de)光(guang)子簡(jian)并度(du)，換句話說，激(ji)光(guang)在很(hen)大的(de)(de)相干(gan)體積內具(ju)有很(hen)高的(de)(de)相干(gan)光(guang)強。

接下來(lai)進入正題，什么是激(ji)光(guang)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)。激(ji)光(guang)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)可以分為空(kong)間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)和時間(jian)(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)二(er)種(zhong)，分別表示空(kong)間(jian)(jian)不同位置(zhi)光(guang)波場某些(xie)特性(xing)(xing)（例如相(xiang)(xiang)(xiang)位）之間(jian)(jian)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)(xing)和空(kong)間(jian)(jian)點在不同時刻光(guang)波場之間(jian)(jian)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)(xing)。而通常(chang)我們定性(xing)(xing)地用楊氏(shi)雙縫干(gan)(gan)(gan)涉(she)實(shi)驗的(de)干(gan)(gan)(gan)涉(she)條紋的(de)清晰程度來(lai)判別光(guang)束的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)干(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)程度。

空間(jian)相干性(xing)和方(fang)向(xiang)性(xing)

激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)方(fang)(fang)向(xiang)性(xing)(xing)，我(wo)們一般用(yong)(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束發(fa)散(san)(san)角(jiao)來定義，而(er)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干性(xing)(xing)和(he)(he)方(fang)(fang)向(xiang)性(xing)(xing)是緊(jin)密關聯(lian)的(de)(de)。當光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束發(fa)散(san)(san)角(jiao)小(xiao)于一定的(de)(de)程度，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束才會具有一定的(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干性(xing)(xing)。舉個簡(jian)單(dan)的(de)(de)例子，普(pu)通光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源譬如手電筒發(fa)散(san)(san)角(jiao)非常(chang)大，顯(xian)然不(bu)具有空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干性(xing)(xing)。如果(guo)一個平(ping)面波是完全空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，那么其(qi)發(fa)散(san)(san)角(jiao)就(jiu)(jiu)為零。對(dui)于激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器而(er)言(yan)，產(chan)生的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)都非理想光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源，通常(chang)我(wo)們用(yong)(yong)(yong)橫(heng)模(mo)和(he)(he)縱(zong)模(mo)對(dui)其(qi)進行分(fen)析。橫(heng)模(mo)表示橫(heng)向(xiang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)場分(fen)布（用(yong)(yong)(yong)TEMmn表示），縱(zong)模(mo)表示軸向(xiang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)場分(fen)布（即諧振頻率）。而(er)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)相(xiang)干性(xing)(xing)和(he)(he)方(fang)(fang)向(xiang)性(xing)(xing)就(jiu)(jiu)和(he)(he)橫(heng)模(mo)有直接的(de)(de)關系，只有一個TEM00模(mo)（基模(mo)）時(shi)，那么激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)相(xiang)干性(xing)(xing)就(jiu)(jiu)非常(chang)好；如果(guo)存在多個橫(heng)模(mo)（不(bu)同橫(heng)模(mo)之間(jian)是非相(xiang)干的(de)(de)），那么相(xiang)干性(xing)(xing)程度就(jiu)(jiu)會降低(di)。

時間相(xiang)干性(xing)和(he)單色性(xing)

時(shi)間(jian)(jian)相(xiang)干(gan)(gan)性(xing)(xing)與光源的(de)(de)單色性(xing)(xing)直(zhi)接相(xiang)關。光源原子一次發(fa)光時(shi)間(jian)(jian)越(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)，通過(guo)雙縫(feng)干(gan)(gan)涉(she)觀察到的(de)(de)條(tiao)紋(wen)(wen)越(yue)(yue)(yue)多(duo)，我(wo)(wo)們(men)(men)就說(shuo)時(shi)間(jian)(jian)相(xiang)干(gan)(gan)性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)，而(er)光源原子發(fa)光時(shi)間(jian)(jian)我(wo)(wo)們(men)(men)就稱為(wei)相(xiang)干(gan)(gan)時(shi)間(jian)(jian)，相(xiang)干(gan)(gan)時(shi)間(jian)(jian)內的(de)(de)波(bo)列長(chang)(chang)度(du)(du)(du)叫做相(xiang)干(gan)(gan)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)。相(xiang)干(gan)(gan)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)L越(yue)(yue)(yue)長(chang)(chang)，干(gan)(gan)涉(she)條(tiao)紋(wen)(wen)越(yue)(yue)(yue)清(qing)晰，表(biao)示(shi)相(xiang)干(gan)(gan)性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)好。假(jia)設某一激(ji)光器發(fa)出λ1~λ2之間(jian)(jian)的(de)(de)光波(bo)頻率(lv)的(de)(de)波(bo)（理想的(de)(de)單色光是(shi)不(bu)存在的(de)(de)），那(nei)么可以證(zheng)明(ming)相(xiang)干(gan)(gan)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)L=λ^2/Δλ（篇(pian)幅關系，證(zheng)明(ming)過(guo)程略），Δλ=λ2-λ1。當Δλ越(yue)(yue)(yue)小，也(ye)就是(shi)λ2和λ1越(yue)(yue)(yue)接近，單色性(xing)(xing)越(yue)(yue)(yue)好，相(xiang)干(gan)(gan)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)L越(yue)(yue)(yue)大(da)，相(xiang)干(gan)(gan)性(xing)(xing)就越(yue)(yue)(yue)好。

圖3 激光波長示意(yi)圖

激(ji)光高亮度(du)和(he)強(qiang)相干(gan)性

激(ji)(ji)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)亮度(du)是(shi)區別于普通光(guang)(guang)源的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)特征(zheng)，而目前提(ti)高(gao)(gao)輸出(chu)功(gong)(gong)率(lv)和效率(lv)也(ye)是(shi)發(fa)展激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)課題(ti)。利(li)用調(diao)Q、鎖模(mo)、脈寬壓(ya)縮(suo)技術可(ke)以大大地提(ti)高(gao)(gao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)(de)(de)輸出(chu)功(gong)(gong)率(lv)，當把激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)功(gong)(gong)率(lv)集中(zhong)在一個或者少數幾(ji)個模(mo)式中(zhong)時，也(ye)就意味(wei)著提(ti)高(gao)(gao)了光(guang)(guang)子的(de)(de)(de)簡并(bing)度(du)，相干性就越好。一臺高(gao)(gao)功(gong)(gong)率(lv)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)亮度(du)甚至可(ke)以達到太陽表面亮度(du)的(de)(de)(de)幾(ji)百(bai)萬倍。

激(ji)光相干性調控

前面(mian)講了激(ji)(ji)(ji)光的原理(li)以及激(ji)(ji)(ji)光的相(xiang)干(gan)性(xing)。下面(mian)簡單介紹下調控(kong)激(ji)(ji)(ji)光相(xiang)干(gan)性(xing)的方法。激(ji)(ji)(ji)光相(xiang)干(gan)度大(da)小(xiao)的調控(kong)方法多種多樣，主要可(ke)以分為兩類：一(yi)是激(ji)(ji)(ji)光諧(xie)振腔外加光學元件調控(kong)激(ji)(ji)(ji)光相(xiang)干(gan)度大(da)小(xiao)；二是在激(ji)(ji)(ji)光諧(xie)振腔內(nei)放置光學元件調控(kong)激(ji)(ji)(ji)光相(xiang)干(gan)度大(da)小(xiao)。

圖4 腔外調(diao)控(kong)相干度大小(xiao)。

（a）實驗裝置圖；（b）相干度大小實驗結果圖

相(xiang)干(gan)(gan)(gan)度大(da)(da)小腔外(wai)調控常(chang)用的(de)(de)(de)方法是(shi)通(tong)(tong)過動態散射(she)(she)體（例如(ru)旋轉的(de)(de)(de)毛玻璃、動態液晶(jing)光(guang)(guang)(guang)調制器等）降低激光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)度大(da)(da)小，如(ru)圖(tu)4（a）所(suo)示，一束(shu)(shu)(shu)(shu)激光(guang)(guang)(guang)經(jing)過透鏡(jing)L1聚(ju)焦(jiao)后(hou)照射(she)(she)到動態散射(she)(she)體，從動態散射(she)(she)體出來的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)可以近似為非相(xiang)干(gan)(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)，經(jing)透鏡(jing)L2以及(ji)濾波(bo)器組成的(de)(de)(de)傅里葉(xie)變(bian)換系統之(zhi)后(hou)，便可產生高斯(si)謝爾模（GSM）光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)（典(dian)型的(de)(de)(de)部(bu)分相(xiang)干(gan)(gan)(gan)激光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)），通(tong)(tong)過控制透鏡(jing)L1到動態散射(she)(she)體直接(jie)的(de)(de)(de)距離z來控制動態散射(she)(she)體上(shang)的(de)(de)(de)聚(ju)焦(jiao)光(guang)(guang)(guang)斑大(da)(da)小，當聚(ju)焦(jiao)光(guang)(guang)(guang)斑越大(da)(da)，得(de)到的(de)(de)(de)GSM光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)(gan)度越小。

圖5腔內調(diao)控激光相干(gan)度大小的實驗裝置(zhi)圖

圖(tu)5為腔內(nei)調(diao)控(kong)激(ji)光相(xiang)(xiang)干度(du)大(da)小(xiao)的(de)實驗(yan)裝置圖(tu)，腔內(nei)調(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)核心技術是在(zai)諧振腔內(nei)插入一個大(da)小(xiao)可控(kong)的(de)小(xiao)孔，通(tong)過控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)小(xiao)孔的(de)大(da)小(xiao)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)腔內(nei)激(ji)光振蕩模(mo)數（前面空間相(xiang)(xiang)干性中提到(dao)的(de)橫模(mo)TEMnm），從而(er)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)輸(shu)出激(ji)光束(shu)的(de)相(xiang)(xiang)干度(du)大(da)小(xiao)。

激光相干性調(diao)控(kong)的應用

前(qian)面講了什(shen)么(me)是激光的相干(gan)性，以及(ji)如何來調(diao)控激光的相干(gan)度。那么(me)重要的問題來了，我們為什(shen)么(me)要來調(diao)控激光的相干(gan)性，那么(me)就(jiu)讓小編帶你(ni)來看看有哪些(xie)實實在在的應用(yong)吧。

自由空間光通信中的應(ying)用

近年來(lai)，由于激光的方向性強(qiang)、光功率集中、難以竊(qie)聽(ting)、成本低(di)、安裝(zhuang)快等(deng)特點(dian)，激光越來(lai)越多地應用于自由空間光通信中，但是光束在大氣(qi)(qi)(qi)中傳輸(shu)時容易受到微小粒子、氣(qi)(qi)(qi)溶膠、溫(wen)度梯度引起折射率隨機變(bian)化(hua)等(deng)因素影響(xiang)，使得(de)激光束的光強(qiang)分布(bu)、相位分布(bu)在時間和空間上隨機起伏、波前扭曲變(bian)形、光強(qiang)閃爍、光束彎曲和偏移等(deng)現象。而部分相干光束在湍(tuan)流大氣(qi)(qi)(qi)中傳輸(shu)就(jiu)能(neng)夠更好地克服湍(tuan)流等(deng)大氣(qi)(qi)(qi)方面帶來(lai)的負面影響(xiang)。

光(guang)束整(zheng)形中(zhong)的應用

對激(ji)光(guang)(guang)束(shu)相(xiang)干度大小的調(diao)控，同樣也可以實現光(guang)(guang)束(shu)整形，產生空心、平頂、陣列(lie)等光(guang)(guang)強分布，從而在(zai)激(ji)光(guang)(guang)加工、激(ji)光(guang)(guang)武器(qi)等領域(yu)中有(you)重要的應(ying)用前(qian)景。

微粒俘獲中的(de)應用

激光(guang)相干性(xing)調控，不僅能(neng)夠(gou)如同完全(quan)相干性(xing)激光(guang)一樣，調控激光(guang)的(de)相位(wei)產生光(guang)阱(jing)從而形成光(guang)鑷(nie)（上一期什么是光(guang)鑷(nie)中有具體論述），而且由(you)于部(bu)分(fen)相干性(xing)，可以避免(mian)熱效應問(wen)題，從而保(bao)護(hu)細(xi)胞(bao)不受損(sun)傷(shang)。

（來源(yuan)：網站，版(ban)權歸原作者(zhe)）