激光的四大特点

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激光也是光，它与普通光没有本质上的区别。但激光又是一种特殊的光，与普通光相比具有方向性好、单色性好、高亮度和优异的相干性四个特点。激光的各种应用正是基于上述特点，在这些方面目前还找不到第二种光源可与激光媲美。

（一）指点江山千里外——方向性好

方向性即光束的指向性，常以a角大小来评价，a角越越小光束发散越小，方向性越好。若a角趋于零，就可近似地把它称作“平行光”。灯光、阳光等普通光是射向四面八方的，根本谈不上方向性。虽然人们可以置光源于透镜或凹面反射镜的焦点上，获得近似“平行光”，但因光源总有一定大小，镜面不可能做到绝对准确，加之镜子孔径衍射引起的发散，就是普通光中方向性最好的探照灯的光束也总有0.01弧度的发散角（1弧度=103毫弧度=57.296度），这是普通光目前利用光学系统后方向性达到的最高水平。

由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光射束具有很高的方向性。当然，由于谐振腔反射镜对光存在衍射极限，如不采取一定措施，想使发散角为零是相当困难的。尽管如此，激光的发散角一般在毫弧度数量级，比探照灯光的发散角小10倍以上，比微波小约100倍。激光束借助光学发射系统，a角可小到几乎是零，接近于平行光束。

光束的发散角小，对于实际应用具有重要的意义：首先可以减小光学发射系统中光学透镜或反射镜等元件的孔径尺寸；更重要的是光束发散越小，在某一方向上光能量越集中，因此可以射得很远。如借助光导发射系统的红宝石激光系统，在几千公里外接收到的光斑张角只有一个茶杯口大小，就是照到月球上，光斑也不过2公里大小。因此，利用激光才首次实现了地球到月球的精确测距。而普通光方向性最好的探照灯，假定光强度足够大（实际达不到），照到月球上的光斑直径至少也有几万公里，可以覆盖整个月球。由于激光的方向性好，强度又高，因此可以瞄得准，射得远。利用这个特性制成激光测距机和激光雷达，它们测量目标的距离、方位和速度比普通微波雷达要精确得多。如用激光对月球测距，38.4万公里误差才1米（最好的纪录为10厘米），非常精确。激光雷达能自动精密跟踪飞机、导弹、卫星等高速飞行体，还可用来测量云层的分布和侦察大气污染情况。用激光进行短距离地面通信，保密性特别强，不易被敌方获截和干扰。此外，利用激光的高方向性可以制成激光制导武器，使命中率大为提高。在兴修水利、修建铁路和公路中，需要挖掘长距离隧道时，可以用激光来“导向”，沿着激光照射的方向进行施工，隧道便打得又准又直。

（二）红橙黄绿青蓝紫——单色性好

从电磁波谱中，我们可以看到，对应一种颜色就有一种波长。“雨后复斜阳，彩虹架长空”，这是我们常见的自然现象，因为太阳光包含着所有可见光的波长，也就是包含着世界上所有的各种颜色，结果却成了白色。所以，“白”光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色光的混合。一种光所包含的波长范围越小，它的颜色就越纯，看起来就越鲜艳，通常我们把这种现象称之为单色性高。一般把波长范围小于几埃（1埃=1亿分之一厘米）的一段辐射称为单色光，发射单色光的光源称为单色光源。和激光束的发散角是衡量光束方向性好坏的标志一样，谱线宽度则是衡量单色性优劣的标准。

人们在长期生产和科学实验中，已经创造出很多单色光源，如各种霓虹灯、水银灯、钠光灯等。以往最好的单色光源是同位素氪灯86，它在低温下发出的光波长范围只有约0.005埃，室温下的谱线宽度为0.0095埃，因此它的颜色很鲜艳。激光的出现，在光的单色性上引起了一次大的飞跃。如单色性好的氦氖激光，它的波长范围比千万分之一埃还要小，最小的已经达到一千亿分之几埃，它的单色性比普通光真不知要好多少亿倍。因此，激光是颜色最纯、色彩最鲜的光。

激光这种高单色性有什么意义呢？大家知道，在日常生活和工作中，测量长度是十分重要的。如果测量的精密度要求很高，靠米尺、游标卡尺、千分尺等都不行，那人们就得用光波的波长作单位来测量长度。因为光波波长很短，精密测量就很准确。这种“光尺”能够准确地测量最大长度取决于光的单色性。单色性越好，准确测量的最大长度就越大。过去用最好的单色光源氪灯进行测量，只能测得38.5厘米的最大长度，而现在用氦氖激光器可以测得几十公里长，误差却很小很小。在激光单色性基础上发展起来的“拍频技术”，可以用来极精密地测定各种移动、转动和振动速度，每秒移动几个微米或每秒转动十分之一度的速度都可以测出来。同无线电技术相类似，在光通信中采用光外差探测时，其波长或频率范围越小，就越可以提高接收机的信噪比（信号和噪音的比值，越大越好）和灵敏度。单色性对在背景光干扰下进行特征识别也非常有利。此外，人们正在用红、绿、蓝三种激光作为基色来合成各种十分鲜艳、逼真的色彩，应用于彩色电视技术中制作激光大屏幕投影电视。

（三）100亿倍于太阳光——亮度高

简单讲亮度，是指光源在单位面积上的发光强度。它是评价光源明亮程度的重要指标。

为了生产实践的需要，光学上规定：光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的光功率称为光源在这个方向上的亮度。在一般照明工程中，亮度单位是“熙提”。简单地讲，1熙提就是在1厘米2的单位面积上发光强度为1烛光。几种光源的亮度见表。

大家知道，电灯要比蜡烛亮得多，炭弧灯又比电灯更亮，而超高压水银灯比炭弧灯又要亮出十几倍。那么，世界上最亮的光源是什么呢？人造小太阳（长弧氙灯）的出现，它的亮度已经赶上了太阳。而高压脉冲氙灯更比太阳亮上10倍。但在激光面前，无论是太阳、人造小太阳，还是高压脉冲氙灯，他们的亮度都算不了什么。一支功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度，比太阳约高100倍；一台巨型脉冲的固体激光器的亮度可以比太阳表面亮度高1010倍，即100亿倍。这年光源亮度上是一次何等惊人的大飞跃啊！我们可以毫不夸张地说，激光是现代最亮的光源，它的亮度是过去的一切都望尘莫及。迄今为止，唯有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光，才能与它相比拟。在这里我们应该值得注意的是，绝不能把激光的亮度误解为激光器所能给出的光能量，比相同时间内太阳光给出的还多。实际上这是由于激光把脉冲宽度压的很窄、光束的发散角又很小的缘故。

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