激光的四大特点-神奇的光
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。
几种光源的亮度表
光源亮度(单位：熙提)月亮表面(通过空气后)2.5×10-1蜡烛和油灯5.0×10-1电灯(充气钨丝)4.5×102炭弧1.0×104太阳表面(通过空气后)1.5×105长弧氙灯1.5×105高压脉冲氙灯1.0×106红宝石脉冲激光(脉宽为1毫微秒，光束发散角为1毫弧度)3.7×1015注：1.10-1即1/10，10-2即1/100，10-3即1/1000，其他类推：102即100，103即1000，……，1015即1后有15个零。
2.1毫微秒=10-9∶1毫弧度=10-3弧度。
激光的这种高亮度特性有什么意义呢？我们可能都作过这种实验：如果在烈日下用透镜聚焦，很容易把火柴点燃，或把纸片烧一个洞，就是说光亮能够变成热能。我们只要会聚中等亮度的激光束，就可以在焦点附近产生几千度到几万度的高温，它能使某些难熔的金属和非金属材料迅速熔化以至气化。因此，目前工业上已成功地利用激光进行精密打孔、焊接和切割。比如，现在已广泛采用激光束加工钟表轴承用的红宝石、尼龙喷丝头、金属拉丝模等，能在上面打出头发丝那么细的小孔。用激光束裁剪衣服则更是方便，功率为100瓦左右的二氧化碳激光器，在厚厚的一叠衣料上面，按照预定的程序走一圈就把上百件衣服一次裁好了。
（四）黑白相间条纹清——相干性好
激光是一种相干光，这是激光这一崭新光源与普通光源最重要的区别。那么，什么是光的相干性呢？我们不妨用水波来进行解释：当你同时向平静的湖水中投入两块石头后，它们就各自组成了一组水波。两组水波各自进行独立的传播，但又互相影响，相互干扰，这叫“波的干涉现象”。如果我们再仔细观察这两组水波相互干涉时，就会进一步发现，要是两组波峰与波峰相遇，则波浪起伏得更高；同样，如波谷与波谷相遇，则波浪凹处会变得更深。要是一组水波的波峰与另一组水波的波谷相遇，那么波浪就将互相抵消。这种现象就称为“波的叠加现象”。波的叠加原理是：每一个波在其所到达的区域内，都独立地激发起振动，与是否同时存在其他波无关；而当两列波产生干涉，同时作用于某一点上时，则该点的振动等于每列波单独作用时所引起的振动的代数和。我们把能够产生干涉现象的两列波称为“干涉波”。发出相干波的波源称为“相干波源”。
光是一种电磁波，同其他波一样，光也存在着干涉现象，也适用叠加原理。在两列光波互相加强的位置，看起来应该比一列光波更明亮；而在两列光波互相削弱的位置，看起来就会比只有一列光波时还暗；当两列光波所引起的振动恰能互相抵消时，这些位置看起来应该是全黑的。这种明暗相间的条纹的出现，就是“光的干涉现象”。
是不是随便两束光相遇都能产生光的干涉现象呢？不是的。只有两列光波的频率完全相同，它们的振动方向也相同，而且它们振动的步调之间始终保持着一种确定的关系（光学上称为“相位差恒定”）时，才能产生干涉。普通光源不同两点发出的光，即使频率相同（例如，同是30W的日光灯），方向相同，但在“相位”上不能保持确定的关系，所以仍然不能相干。激光的相干性是同激光的单色性、方向性密切相关的。单色性、方向性愈好的光，它的相干性必定愈好。
我们可以利用激光的这种相干性，将其能量会聚在空间极小的区域内，所以激光能聚得很小产生极大的能量，从而用来引发热核聚变。如果把核燃料做成比小芝麻粒还要小的固体微型小球，然后用激光作为点火器去照射它，就可以使微型小球加热到上亿度的高温，它所产生的能量密度高达每立方厘米1千万亿焦耳。这样高的能量密度，相当于几十吨炸药集中在1立方米的体积内爆炸所产生的能量密度，即达到了原子弹爆炸时所得到的超高能量密度的数量级。
全息照相是成功地应用激光相干性的一个例子。激光经过分束装置分为两束，一束光直接射到底片上，称为“参考光束”；另一束光经过被拍照物体反射后再射到底片上，称为“物光束”。两束光在底片上形成干涉条纹，这样感光的底片就是全息照片。全息照片不但形象逼真，立体感极强，特别奇妙的是，在看全息照片时，观看者改变不同的观察角度，便会看到照片中不同位置的景物。更奇妙的是，一张全息照片即使大部分已经损坏，只剩下一个角落，依然可以重现全部景物。
不过需要指出，上述四个特点是笼统地就激光在其整体上与普通光相比较而言的。其实，在实际应用中无需对四个特性都提出很高的要求。例如：全息照相的主要要求是单色性和相干性好；激光通信主要要求是方向性、单色性和相干性好；激光测距主要要求是方向性好和高亮度；激光武器主要要求则是高亮度和方向性好等等。应用目的不同，就应选用或研制不同特点的激光器。
激光虽有许多独特而优异的性能，但它并不能完全取代所有的普通光，如大面积照明激光就不适用。
