光波的单色性与时间相干性及其应用

激光是20世纪60年代出现的一种新光源。它的出现是人类对电磁波的利用和控制向光频段的扩展，它使得我们有可能把无线电波段上行之有效的一整套电子技术（如振荡、调制、变频、调谐、接收等）推广到光频段，从而不仅在光源的外部，而且也在光源的内部实现对光束特性的控制，这使人类对光的利用和控制进入了一个新阶段。

激光是基于物质受激辐射原理而产生的一种高强度的相干光。波长从0.24μm开始，包括了可见光、近红外直到远红外的整个光频波段范围。由于激光具有亮度高，单色性、方向性、相干性好等一系列优异特性，因而在许多技术领域中得到了广泛的应用，也为军事应用提供了新的途径。激光技术被人们公认为是继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。

1.高亮度

目前，由激光器发出的光的亮度，比太阳光的亮度要高几十万甚至几千亿倍以上。激光的总能量是不大的，但激光能把能量在空间和时间上高度地集中起来，因此就有很大的威力。

2.高定向性

普通光是向四面八方散开的，因此，照射的距离和照明的效果都很有限。即使是定向性比较好的探照灯，它的照射距离也只有几千米。直径1m左右的探照灯光束，不出5km就扩大为直径几十米的大而弱的光斑了。激光器发出激光束的定向性，要比探照灯的定向性高几千倍以上。同样是直径1m左右的激光束，传输到几千米远以后，光束的直径只扩大几厘米。(www.xing528.com)

3.高单色性

白光是由七种不同颜色的单色光组成的，而通常所说的红光、绿光等也都是由好几种相近颜色的单色光组成的。激光器发射出的激光，单色程度非常高，它的光谱成分是非常单纯的。激光的单色程度比单色性最好的普通光源的单色性程度还要高出几万倍到几十万倍。因此，用激光可以作多种精密测量。激光不仅单色性好，而且它的波长可以由人们控制，既可位于可见光谱区，也可位于不可见光谱区。如果用λ表示光波波长，Δλ则表示谱线宽度。单色光是指谱线宽度很窄的一段光波，Δλ越小，单色性越高。在普通的光源中最好的单色光源是氪灯：λ＝6 057Å^[1]（埃），Δλ＝0.004 7Å。而氦-氖激光器：λ＝6 328Å，Δλ＜10-7Å。

4.高相干性

相干性是波动现象的普遍属性。在普通光源中，各发光中心相互独立，相互之间基本上没有相位关系（或很少联系），因此很难有恒定的相位差，也就不容易显示出相干现象，或者说相干性很差。一般说，普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。激光各发光中心是相互联系的，可以在较长时间内存在恒定的相位差，所以激光的相干性很好。为了量度相干性，引用了时间相干与空间相干的概念。时间相干是指光源中同一辐射源在不同时刻发出的光束之间的相干性。空间相干性是指光源的不同部分发出的光波的相干性。激光的时间相干性目前应用较多，时间相干性与单色性是有密切联系的。光源的单色性好，则时间相干性好。时间相干性用相干长度来度量，所谓相干长度就是指可以观察到干涉现象的最大光程差，用L来表示

式中，δλ为波长宽度（或谱线宽度）。可见，当光源的单色性好时即δλ小，则时间相干性好，也就是相干长度长。如氪灯的相干长度是几十厘米，多数普通光源每条谱线的相干长度只有零点几毫米。而氦-氖激光器的相干长度理论上达几十千米，其相干性提高几十万倍。如果用这样的激光测量数十米的距离是没有问题的，测量误差小于1μm。