激光是一种什么样的相干光

激光是一种具有高度方向性、高度单色性和高度空间相干性的受激辐射光，其光子频率、相位与传播方向高度一致，因此相干长度可达数米乃至数十米，远高于普通光源。

激光相干性的四个物理特征

1、方向性：激光发散角可小至毫弧度级别，普通白炽灯向四面八方辐射，而激光束在数公里传播后光斑扩展仍有限，方向性源于谐振腔对光子传播方向的选择。

2、单色性：激光谱线宽度可窄至赫兹量级，普通光源谱宽通常在数百纳米，单色性来自受激辐射只发生在特定能级跃迁，配合谐振腔选频作用。

3、空间相干性：激光横截面内各点相位差稳定，杨氏双缝干涉实验中，普通光需先经狭缝滤波才能观察到干涉条纹，激光可直接形成清晰条纹。

4、时间相干性：相干时间与谱线宽度成反比，谱宽越窄相干时间越长，相干长度等于相干时间乘以光速，氦氖激光相干长度可达数十公里。

相干性的量化依据

相干长度是衡量相干性的核心参数，定义为光波保持相位关联的最大光程差。根据中国国家标准GB/T 15313-2008《激光术语》，相干性分为时间相干性与空间相干性两类。普通白光相干长度约0.001毫米，低压钠灯约0.6毫米，而稳频氦氖激光可达数十公里。美国物理学会旗下《物理评论》1929年发表的论文已从理论上阐明相干性与谱线宽度的反比关系，这一关系至今仍是激光物理的基础内容。

相干性的实际应用

• 全息照相：利用激光时间相干性，参考光与物光在感光板上形成稳定干涉条纹，普通光无法满足光程差要求。
• 激光干涉测量：空间相干性使干涉条纹对比度接近1，用于引力波探测的激光干涉仪臂长可达4公里。
• 激光多普勒测速：单色性保证频移测量精度，可分辨每秒毫米级的速度变化。
• 光学相干层析成像：利用低相干光源的短相干长度实现深度分辨，轴向分辨率可达微米级。

相干性是激光区别于热光源的本质属性，方向性、单色性、空间相干性与时间相干性共同构成激光的物理基础。使用激光设备时需佩戴对应波段的防护镜，避免直视光束或镜面反射光。

常见问题

是。普通白光相干长度约0.001毫米，稳频氦氖激光可达数十公里，两者相差约十个数量级，具体数值取决于光源谱宽。

否。相干长度与谱线宽度成反比，半导体激光器相干长度通常仅数毫米至数厘米，稳频气体激光器可达数十公里，差异极大。

是。光学相干层析成像利用低相干光实现微米级深度分辨，用于眼科视网膜断层扫描，属于非接触式检查手段。

能。普通光经狭缝滤波后可观察到干涉条纹，但条纹清晰度与稳定度低于激光，因普通光空间相干性有限。

否。相干长度需与用途匹配，全息照相需要长相干长度，光学相干层析成像反而需要短相干长度以实现深度分辨。

参考资料

[1] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 15313-2008 激光术语. 中国标准出版社, 2008.

[2] 周炳琨, 高以智, 陈倜嵘, 等. 激光原理. 第7版. 北京: 国防工业出版社, 2014.

[3] 母国光, 战元令. 光学. 第2版. 北京: 人民教育出版社, 2011.

[4] 中国光学学会. 激光技术白皮书. 2020.