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什麼是激光的相幹性?

作者:東譜科技 瀏覽: 發表時間:2018-04-08 09:00:00 來源:科學網何卓銘

激光是20世紀以來,在科技領域中繼原子能、計算機、半導體之後,人類的又一重大發明。在了解什麼是激光的相幹性之前,首先介紹下激光的基本原理吧。
  激光,原名“鐳射”,英文名稱LASER的音譯,取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母,意思是“通過受激輻射光擴大”,1964年,中國著名科學家錢學森先生緻函《光受激發射情報》編輯部(期刊《激光與光電子學進展》前身),為LASER取了一個貼切而傳神的中譯名“激光”。

激光的原理

激光(通過受激輻射光擴大),顧名思義,表示光受激輻射產生新的光子,然後放大得到新的發射光。何謂受激輻射?其過程大緻是這樣的:假設某一原子一開始處於高能級E2,當能量為hυ的外來光子正好等於某一對能級之差E2-E1,那麼該原子就可以在此外來光子的誘發下從高能級E2向低能級E1躍遷,然後發出與誘發光子全同的光子,不僅頻率(能量)相同,而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣(這個就是激光的相幹性)。這意味著,入射一個光子就會出射兩個完全相同的光子,這就是光信號被放大的原理,見圖1。但是別高興得太早,一個外來光子即能夠引起受激輻射,同時也會產生受激吸收(吸收外來光子,然後讓原子從E1能級躍遷到E2能級)。顯然,如果要產生激光,前提條件是受激輻射效應要大於受激吸收效應。但是,在正常情況(熱平衡狀態)下,原子幾乎都處於最低能級(基態)上,就跟小編一樣,能坐著堅決不站著,能躺著堅決不坐著。所以,產生激光一個最大的前提:必須要形成粒子數反轉,讓更多的原子處於高能級上。然後我們花了很多年的時間,終於找到了某些特定的工作物質,讓它在特定的條件下(原子的兩個能級處於非熱平衡狀態),可以形成粒子數反轉。顯然,不是每一種物質都能夠作為工作物質,好吧,這是一句廢話。


       圖1 受激輻射原理圖(圖片來自網絡)

那麼激光器的基本組成部分大緻也有點眉目了,應該包括這三個方面:工作物質、激勵源、諧振腔,如圖2所示。工作物質,就是我們尋找的材料,用來在此物質中形成粒子數反轉;激勵源,就是用來激發工作物質的原子體系,實現這個特定條件(上能級的粒子數增加,粒子數反轉);諧振腔,激光形成的腔體,一般由兩面反射鏡(在激光器兩端)組成,讓光在諧振腔中來回振蕩,造成連鎖反應,雪崩放大,從而在輸出反射鏡處出射激光。

2 激光器結構

激光產生的原理,決定了激光區別於其他普通光源的四種特性:單色性、相幹性、方向性和高亮度。實際上,這四種特性從本質上也可以歸結為一個:激光具有很高的光子簡並度,換句話說,激光在很大的相幹體積內具有很高的相幹光強。好吧,我承認這句話還是不夠通俗,如有興趣的小夥伴們,可以參考《中國激光》期刊主編周炳琨院士撰寫的書籍《激光原理》。
  沒關系,接下來進入正題,什麼是激光的相幹性。激光的相幹性可以分為空間相幹性和時間相幹性二種,分別表示空間不同位置光波場某些特性(例如相位)之間的相關性和空間點在不同時刻光波場之間的相關性。而通常我們定性地用楊氏雙縫幹涉實驗的幹涉條紋的清晰程度來判別光束的相幹性程度。

  • 空間相幹性和方向性

激光的方向性,我們一般用光束發散角來定義,而激光的空間相幹性和方向性是緊密關聯的。當光束發散角小於一定的程度,光束才會具有一定的空間相幹性。舉個最簡單的例子,普通光源譬如手電筒發散角非常大,顯然不具有空間相幹性。如果一個平面波是完全空間相幹光,那麼其發散角就為零。對於激光器而言,產生的激光都非理想光源,通常我們用橫模和縱模對其進行分析。橫模表示橫向光場分布(用TEMmn表示),縱模表示軸向光場分布(即諧振頻率)。而激光的空間相幹性和方向性就和橫模有直接的關系,隻有一個TEM00模(基模)時,那麼激光的相幹性就非常好;如果存在多個橫模(不同橫模之間是非相幹的),那麼相幹性程度就會降低。

  • 時間相幹性和單色性

時間相幹性與光源的單色性直接相關。光源原子一次發光時間越長,通過雙縫幹涉觀察到的條紋越多,我們就說時間相幹性越長,而光源原子發光時間我們就稱為相幹時間,相幹時間內的波列長度叫做相幹長度。相幹長度L越長,幹涉條紋越清晰,表示相幹性越好。假設某一激光器發出λ1~λ2之間的光波頻率的波(理想的單色光是不存在的),那麼可以證明相幹長度L=λ^2/Δλ(篇幅關系,證明過程略),Δλ=λ2-λ1。當Δλ越小,也就是λ2和λ1越接近,單色性越好,相幹長度L越大,相幹性就越好。

3 激光波長示意圖

  • 激光高亮度和強相幹性

激光的高亮度是區別於普通光源的重要特征,而目前提高輸出功率和效率也是發展激光器的重要課題。利用調Q、鎖模、脈寬壓縮技術可以極大地提高激光器的輸出功率,當把激光器的激光功率集中在一個或者少數幾個模式中時,也就意味著提高了光子的簡並度,相幹性就越好。一台高功率的激光的亮度甚至可以達到太陽表面亮度的幾百萬倍。

      激光相幹性調控

前面講了激光的原理以及激光的相幹性。下面簡單介紹下調控激光相幹性的方法。激光相幹度大小的調控方法多種多樣,主要可以分為兩類:一是激光諧振腔外加光學元件調控激光相幹度大小;二是在激光諧振腔內放置光學元件調控激光相幹度大小。

      圖4 腔外調控相幹度大小。(a)實驗裝置圖;b)相幹度大小實驗結果圖

相幹度大小腔外調控最常用的方法是通過動態散射體(例如旋轉的毛玻璃、動態液晶光調製器等)降低激光束的相幹度大小,如圖4(a)所示,一束激光經過透鏡L1聚焦後照射到動態散射體,從動態散射體出來的光束可以近似為非相幹光束,經透鏡L2以及濾波器組成的傅裏葉變換系統之後,便可產生高斯謝爾模(GSM)光束(典型的部分相幹激光束),通過控製透鏡L1到動態散射體直接的距離z來控製動態散射體上的聚焦光斑大小,當聚焦光斑越大,得到的GSM光束的相幹度越小。

5腔內調控激光相幹度大小的實驗裝置圖

圖5為腔內調控激光相幹度大小的實驗裝置圖,腔內調製的核心技術是在諧振腔內插入一個大小可控的小孔,通過控製小孔的大小控製腔內激光振蕩模數(前面空間相幹性中提到的橫模TEMnm),從而控製輸出激光束的相幹度大小。

      激光相幹性調控的應用

前面講了什麼是激光的相幹性,以及如何來調控激光的相幹度。那麼最重要的問題來了,我們為什麼要來調控激光的相幹性,那麼就讓小編帶你來看看有哪些實實在在的應用吧。

  • 自由空間光通信中的應用

近年來,由於激光的方向性強、光功率集中、難以竊聽、成本低、安裝快等特點,激光越來越多地應用於自由空間光通信中,但是光束在大氣中傳輸時容易受到微小粒子、氣溶膠、溫度梯度引起折射率隨機變化等因素影響,使得激光束的光強分布、相位分布在時間和空間上隨機起伏、波前扭曲變形、光強閃爍、光束彎曲和偏移等現象。而部分相幹光束在湍流大氣中傳輸就能夠更好地克服湍流等大氣方面帶來的負面影響。

  • 束整形中的應用

對激光束相幹度大小的調控,同樣也可以實現光束整形,產生空心、平頂、陣列等光強分布,從而在激光加工、激光武器等領域中有重要的應用前景。

  • 微粒俘獲中的應用

激光相幹性調控,不僅能夠如同完全相幹性激光一樣,調控激光的相位產生光阱從而形成光鑷(上一期什麼是光鑷中有具體論述),而且由於部分相幹性,可以避免熱效應問題,從而保護細胞不受損傷。


參考文獻:

陳亞紅,蔡陽健. 激光相幹性調控及應用[J].光學學報,2016,36(10).


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