普通光可以聚焦變成激光嗎？

激光束不僅僅是聚焦光。激光束是相干光。此外，無論您多么努力，都無法通過巧妙地聚焦普通光線來產(chǎn)生激光束。您可以使用受激發(fā)射創(chuàng)建激光束。受激發(fā)射是導(dǎo)致激光束中的光相干的原因，而相干性是使激光束比普通光更有用的原因。事實(shí)上，“激光”一詞實(shí)際上是一個(gè)首字母縮寫詞，代表“受激輻射的光放大”。

什么是連貫性?在最簡(jiǎn)單的圖片中，您可以將一束光想象成一束穿過空間的小正弦波。在這張圖片中，相干性意味著各種正弦波的所有各自的峰值都在空間中排列，并隨著波的傳播繼續(xù)保持排列。短語“排列”的意思是，如果您能夠在特定時(shí)間對(duì)光束中的不同波分量進(jìn)行快照，您會(huì)發(fā)現(xiàn)所有第一個(gè)峰值都在空間中的同一位置，所有第二個(gè)峰的距離相同，等等。為了使峰在任何地方都完全對(duì)齊，必須發(fā)生一些事情：

　1.波必須具有大致相同的波長(zhǎng)(時(shí)間相干性)

如果一個(gè)波的連續(xù)波峰相隔?600?納米的距離，而另一個(gè)波的波峰相隔;830&;納米的距離，那么很明顯，如果您排列一對(duì)峰，則不能排列任何一個(gè)其他對(duì)峰。理想情況下，如果所有波分量都具有完全相同的波長(zhǎng)(并且滿足下面列出的其他標(biāo)準(zhǔn))，那么所有峰值都可以永遠(yuǎn)完美地排列在一起。這種情況實(shí)際上在物理上是不可能的。需要無限長(zhǎng)的光束才能使所有波分量具有完全相同的波長(zhǎng)(此陳述的證明并不明顯，需要傅立葉分析)。盡管完全單波長(zhǎng)的光束在物理上是不可能的，但我們可以非常非常接近。實(shí)際上，具有非常接近單波長(zhǎng)(稱為“單色”)的光束是激光器如此有用的主要原因之一。使用單色光可以讓我們測(cè)量或觸發(fā)材料中非常特定的響應(yīng)(例如光譜、激光冷卻)。

2.?波必須同相(光譜相干)

波的相位描述了某個(gè)參考點(diǎn)處存在正弦波周期的哪一部分。兩個(gè)相位相差;180°&;的波將有一個(gè)波在空間中的同一點(diǎn)達(dá)到峰值，而另一個(gè)波則在底部下降。因此，即使兩個(gè)波具有相同的波長(zhǎng)，如果一個(gè)波相對(duì)于另一個(gè)波向前移動(dòng)一點(diǎn)，它們的峰值將不會(huì)對(duì)齊。光束中各種波的相位必須相同，以使它們的峰值對(duì)齊并使光束在光譜上相干。相干光束的穩(wěn)定相位非常有用。當(dāng)波與材料相互作用時(shí)，波的相位往往會(huì)發(fā)生變化，因此使用具有穩(wěn)定相位的光束可以讓我們測(cè)量由于材料引起的相移，從而了解材料的一些信息(例如橢圓偏光法)。

3.波必須局部同向傳播(空間相干性)

如果一個(gè)波向北傳播，另一個(gè)波向東北傳播，那么它們的峰值就無法對(duì)齊。只有當(dāng)光束在每個(gè)點(diǎn)的波以相同的方向傳播時(shí)，波峰才能對(duì)齊。請(qǐng)注意，有些人將這一原則重申為“所有光線都是平行的”。這樣的說法過于簡(jiǎn)單化到了錯(cuò)誤的地步。如果一束相干光束(如激光束)由完全平行的光束組成，那么這些光束在行進(jìn)時(shí)不會(huì)擴(kuò)散。實(shí)際上，梁總是當(dāng)它們穿過空間時(shí)遠(yuǎn)離直線運(yùn)動(dòng)(我們稱之為“衍射”)。您可能不會(huì)用肉眼注意到激光束的發(fā)散，但它確實(shí)存在。與其說相干光束中的所有光線都是平行的，更準(zhǔn)確的說法是空間中某一點(diǎn)的波分量在單個(gè)相干光束中平行，但點(diǎn)到點(diǎn)不平行。此外，如果兩個(gè)波以不同的方向傳播，但滿足所有其他共同相干的標(biāo)準(zhǔn)，我們將這兩個(gè)波視為完全獨(dú)立的光束，它們的組合會(huì)導(dǎo)致干涉圖。對(duì)于光束寬度與其波長(zhǎng)相比非常大的相干光束，衍射非常小，因此不同位置的所有波都非常接近平行。此類光束可用于指向或掃描(例如激光打印、3D;激光掃描、條形碼掃描、導(dǎo)彈的激光制導(dǎo)、激光雷達(dá))。

4.波必須是相同的極化(極化相干)

光波的極化描述了其電場(chǎng)在空間中振蕩的方向。如果一個(gè)波的電場(chǎng)上下振蕩，而另一波的電場(chǎng)左右振蕩，則它們的峰值不能對(duì)齊，因?yàn)榉逯荡嬖谟诓煌姆较颉９馐械牟煌ǚ至勘仨毷顾鼈兊碾妶?chǎng)指向相同的方向，以便使它們的峰值對(duì)齊并使光束相干。偏振光很有用，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^物體改變光的偏振的方式(例如偏振測(cè)量法)了解光照射到的物體的一些信息。

如果滿足上述所有標(biāo)準(zhǔn)，則峰值在任何地方都對(duì)齊，并且隨著時(shí)間的推移保持對(duì)齊。因此光束是完全相干的。(請(qǐng)注意，完全相干在物理上是不可能的，但許多光束(例如激光束)可以非常接近于完全相干)。普通光，例如來自白熾燈泡或火的光，是不連貫的。來自火的光包含不同的光波，這些光波的頻率不同、相位不同、行進(jìn)方向不同且偏振態(tài)不同。聚焦非相干光，例如使用玻璃透鏡，不會(huì)使光波具有相同的頻率、相同的相位、相同的局部方向或相同的偏振。因此，聚焦非相干光不會(huì)使其像激光束一樣相干。

激光中的受激發(fā)射現(xiàn)象非常有用，因?yàn)樗a(chǎn)生的光通常在時(shí)間、光譜、空間和偏振上是相干的。受激發(fā)射意味著當(dāng)一點(diǎn)光(一個(gè)光子)出現(xiàn)并將電子擊倒到未激發(fā)狀態(tài)時(shí)，電子處于激發(fā)態(tài)，使其在此過程中發(fā)射另一位光(另一個(gè)光子)。在擊倒電子的過程中，原始光子導(dǎo)致新光子與其相干。這個(gè)過程以多米諾骨牌的方式重復(fù);每次都會(huì)向光束中添加一個(gè)與原始光子相干的新光子。受激發(fā)射并不像聽起來那么奇特，實(shí)際上一直在發(fā)生。設(shè)計(jì)工作激光器的難點(diǎn)在于使受激發(fā)射成為電子去激發(fā)的主要方式。在一塊規(guī)則的物質(zhì)中，被激發(fā)的電子最常通過與其他電子或原子碰撞而去激發(fā)，從而失去其能量來加熱，或者通過自發(fā)地發(fā)射一些非相干光。因此，設(shè)計(jì)激光器涉及使受激電子的受激發(fā)射躍遷非常有可能，并使其他躍遷可能性降低。

請(qǐng)注意，受激發(fā)射并不是產(chǎn)生相干光束的唯一方法。對(duì)于可見光等高頻波，受激發(fā)射是產(chǎn)生相干光束的最有效方式。但是對(duì)于無線電波等低頻波，只需將正弦波電流驅(qū)動(dòng)到天線中，就更容易產(chǎn)生相干波束。由以單一頻率驅(qū)動(dòng)的天線產(chǎn)生的波(例如那些承載無線電臺(tái)廣播的波)是相干的。這種廣播無線電波在技術(shù)上不是激光束，因?yàn)樗鼈儾皇怯墒芗ぐl(fā)射產(chǎn)生的，但它們具有激光束所有有用的相干特性。警察的雷達(dá)測(cè)速槍比大多數(shù)人意識(shí)到的更類似于演示激光筆。兩者都是發(fā)射一束相干電磁波的手持設(shè)備。兩者都沒有使用聚焦來創(chuàng)建光束的相干性。