激光有哪些特性?

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激光有极高的亮度，大体上说，可以达到比太阳光的亮度还高100万亿倍．普通光源的亮度则比太阳光还低．光源的单色亮度Bλ由下式表示 式中P是发光功率，△S是发光面积，Ω2是光辐射传播的立体角，△λ是光辐射频谱宽度．激光器的亮度极高，主要源于以下特点：    1．方向性好    普通光源是朝四面八方发光，或者说，光辐射沿4π 立体角分布．它发出的光辐射可以照亮眼前周围的地方，但照亮的距离不大．要把照明的距离扩大，可以用光学系统把朝各个方向发射的光聚集到照明的方向，汽车 的前车灯、探照灯等就是用这个办法增大照明距离的．激光器不同，它天性就是只朝一个方向发射光，而且射出的光束发散角很小，接近衍射极限，称得上是高度平 行的光束．普通光源和激光器的发光范围如图3-8所示．    因为方向性好，例如其发散角为1毫弧度，所以若与相同光功率的普通光源相比，激光器的亮度就比它高4π/（10-3）2=1.26×107倍．也因为激光的方向性好，使得它能照亮很远的物体．1962年，人类第一次从地球上发出激光束，照亮月亮的表面，用普通光源则办不到．即使用最强的探照灯，射到月球上散开的光斑比月球还大，得到的照度也只有10-12lx（勒克斯，照度单位）．没有月亮的夜晚，天上的照度也有10-4lx．一台普通红宝石激光器发射出的光束射到月球上，散开的光斑尺寸只有几百米，得到的照度有10-2lx，加上光色鲜红，显眼，所以能见到月球上有一个红色光斑．    2．单色性好    科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称谱线宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好．太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的广阔光谱区域，所以它谈不上单色性．常用的单色光源如氖灯、氦灯、氪灯、氢灯等，它们的光辐射谱线宽度比较窄（小于4.5×10-3nm），其中氪86光源发射的红光（波长605.7nm）的谱线宽度最窄，只有4.7×10-4nm，有单色性之冠之称．激光的单色性比它更好，特制发红光的He-Ne激光器，波长632.8nm的谱线宽度只有2×10-9nm！    3．相干性极好    相干性是表示电磁场在空间不同位置上瞬时的或统计的相位相关性质．在辐射场中的两个不同的点上，场的相位差总是有某些无规起伏．如果光束中的两点之间的无规相位差平均值恰巧小于1 rad， 这两个点之间的距离叫“相干长度”．把相干长度之内两点的场分离开，然后再用某种方式把它们重新叠合，会发生干涉效应，形成明暗相间的条纹．一般来说，沿 光束传播方向和沿横截面方向的相干长度是不相同的．光波沿其传播方向通过相干长度所需的时间叫“相干时间”．相干长度和相干时间与光波单色性有关．粗略地 说，相干时间△t～λ2/△λc，相干长度l～λ2/△λ，这里的λ是光波波长，△λ是辐射的谱线宽度．激光的单色性很好，所以，它的相干长度很长．特制的氦-氖激光器输出的光束相干长度达2×107km．普通光源的辐射，其相干长度很短，以具单色性之冠的氪灯发射的红光来说，其相干长度也只有38.5cm．    4．光脉冲宽度可以极窄    光源的亮度正比于发光功率．光源发射的能量集中在很短时间内发射出来，产生的光功率也就很高．普通光源很难产生脉冲宽度很窄的光脉冲，照相用的闪光灯产生的光脉冲宽度也有毫秒左右．激光器能产生宽度极窄的光脉冲．使用Q开关的激光器，可以输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术的激光器，可产生10-14s的光脉冲．激光的高亮度性　一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单 位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它 几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。因此，激光有高亮度性。　　另外，激光的亮度也取决于它的相干性。相干性是一切波动现象的属性。光有波动性，因此也有相干性。 　　一般光源发射出来的光是非相干光，它是波长不等、杂乱无序的混合光束。由于非相干光的波长、相位、振幅极不一致。因此它们的合成波也是一条杂乱无章、毫无规律的曲线，从中不易找出它的周期性来。普通光源如日光、灯光等所辐射的就是这非相干光线。 　 　发光系统中，处于激发状态的原子（或分子、离子）受相应的外界能量（例如入射光子）激励时，它就从高能级跃迁到低能级，同时释放出一个光子，这个被释放 的光子和入射的光子是完全一样的。它们两者的波长、传播方向、振辐及相位都完全一样。这样的辐射波具有相干性，它们的谱线很窄。 　　 根据波的迭加原理，如果两列波同时作用于某一点上，则该点的振动等于每列波单独作用时所起的振动代数和。因此，相干光的合成波就是迭加效应的结果（图4- 26-2）。合成波的相位、波长、传播方向皆不改变，只是振幅急剧地增加了。因此，通过迭加后的光色不变，只光的强度极大地增加了。激光所以有高亮度的特 点也是由于相干光迭加效应的结果。激光的亮度可以比太阳表面亮高1010倍。 　　一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生 强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割； 医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。 激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。激光的高单色性    一般理疗上常用光源，有热光源（如白炽灯、红外线灯）和气体放电发光光源（如紫外线灯）。这类光源的发光物质比较复杂，以自发辐射形式产生光子，发出的光线很不纯，它们的谱线范围是连线的或是带状的光谱。　 　一般“单色光”被分光镜分解后，它也不是连续的色带，而是一条条独立的、并且具有特定位置的亮光，通常称这为谱线。临床上所谓的单色光也并非是单一波长 的光，而是有一定波长的谱线。波长范围越小，谱线宽度越窄，其单色性也越好。因此，谱线的宽度是衡量光线单色性好坏的标志。激光是物质中原子（或分子、离 子）受激辐射产生的光子流，它依靠发光物质内部的规律性，使光能在光谱上高度地集中起来。在激光的发光形式中，可以得到单一能级间所产生的辐射能，因此， 这种光是同波长（或同频率）的单色光。光谱高度集中时，其纯度甚至接近单一波长的光线，例如氦－氖激光就是6328的单色红光。激光的高度定向性　　激光的散射角非常小，通常以毫弧计算。例如红宝 石激光的散射角是0.18°，氦－氖激光只有1毫弧度。因此，激光几乎是平等准直的光束，在其传播的进程中有高度的定向性。手电筒照明时，由于光的散射角 大，远达数十米后，光散开并形成大而暗淡的光盘。激光由于散射角小，可以准直地射向远距离目的物。1962年，将激光发射向月球，经过40多万公里的进程 后，其散开的光斑的直径也不过只有两公里多。利用激光的准直性进行测距，从地球到月球之间的误差不超过1.5m。　　由于激光的单色性和 方向性好，通过透镜可以把光束集中（聚焦）到非常小的面积上，焦点的直径甚至可以接近激光本身的波长，这是普通光源所不及的。因为从普通光源中发射出来的 光束向各个方向传播，它们是互不平行的光，所以通过透镜只能看到某种尺寸的物相。另外，从普通光源中发射出来的光含有很多波长不等的光成份，当通过透镜 时，由于不同波长光的折射率不同，所以不同波长光的焦点不在一个平面上。只有激光才能辐射出几乎是平行的光束，并且波长一致（单色性好），因此可以聚焦成 为很小的光点。聚焦激光光束的能量密度可以达到很高的程度，这种特点是临床外科和细胞外科使用光刀的决定条件。 　　（1）互为不平行的光束，不能集中到一点上 　　（2）互为不同波长光束，不能集中到一点上 　　（3）严格平行的等波长光束，能集中到一点上 　　光点的直径是由透镜的焦距和光束的发散角所决定，如果我们知道焦距的发散角的数值，就可以用下列公式计算光点的直径大小。    d＝f.θ 　　上式中，f为透镜的焦距（m），d为光点的直径（m），θ为光束的发射角（弧度）。例如，选择焦距为5cm的透镜，光束发散角为10－4弧度，求光点直径。 　　根据上述公式从理论上推算：d＝0.05×10－4＝5μ 　　实际，常常由于激光器的质量不好（单色性程度差），影响到光点的高度集中，达不到理论上的效果。