普通光可以聚焦变成激光吗？

激光束不仅仅是聚焦光。激光束是相干光。此外，无论您多么努力，都无法通过巧妙地聚焦普通光线来产生激光束。您可以使用受激发射创建激光束。受激发射是导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。事实上，“激光”一词实际上是一个首字母缩写词，代表“受激辐射的光放大”。

什么是连贯性？在最简单的图片中，您可以将一束光想象成一束穿过空间的小正弦波。在这张图片中，相干性意味着各种正弦波的所有各自的峰值都在空间中排列，并随着波的传播继续保持排列。短语“排列”的意思是，如果您能够在特定时间对光束中的不同波分量进行快照，您会发现所有第一个峰值都在空间中的同一位置，所有第二个峰的距离相同，等等。为了使峰在任何地方都完全对齐，必须发生一些事情：

1.波必须具有大致相同的波长（时间相干性）

如果一个波的连续波峰相隔 600 纳米的距离，而另一个波的波峰相隔;830&;纳米的距离，那么很明显，如果您排列一对峰，则不能排列任何一个其他对峰。理想情况下，如果所有波分量都具有完全相同的波长（并且满足下面列出的其他标准），那么所有峰值都可以永远完美地排列在一起。这种情况实际上在物理上是不可能的。需要无限长的光束才能使所有波分量具有完全相同的波长（此陈述的证明并不明显，需要傅立叶分析）。尽管完全单波长的光束在物理上是不可能的，但我们可以非常非常接近。实际上，具有非常接近单波长（称为“单色”）的光束是激光器如此有用的主要原因之一。使用单色光可以让我们测量或触发材料中非常特定的响应（例如光谱、激光冷却）。

2. 波必须同相（光谱相干）

波的相位描述了某个参考点处存在正弦波周期的哪一部分。两个相位相差;180°&;的波将有一个波在空间中的同一点达到峰值，而另一个波则在底部下降。因此，即使两个波具有相同的波长，如果一个波相对于另一个波向前移动一点，它们的峰值将不会对齐。光束中各种波的相位必须相同，以使它们的峰值对齐并使光束在光谱上相干。相干光束的稳定相位非常有用。当波与材料相互作用时，波的相位往往会发生变化，因此使用具有稳定相位的光束可以让我们测量由于材料引起的相移，从而了解材料的一些信息（例如椭圆偏光法）。

3.波必须局部同向传播（空间相干性）

如果一个波向北传播，另一个波向东北传播，那么它们的峰值就无法对齐。只有当光束在每个点的波以相同的方向传播时，波峰才能对齐。请注意，有些人将这一原则重申为“所有光线都是平行的”。这样的说法过于简单化到了错误的地步。如果一束相干光束（如激光束）由完全平行的光束组成，那么这些光束在行进时不会扩散。实际上，梁总是当它们穿过空间时远离直线运动（我们称之为“衍射”）。您可能不会用肉眼注意到激光束的发散，但它确实存在。与其说相干光束中的所有光线都是平行的，更准确的说法是空间中某一点的波分量在单个相干光束中平行，但点到点不平行。此外，如果两个波以不同的方向传播，但满足所有其他共同相干的标准，我们将这两个波视为完全独立的光束，它们的组合会导致干涉图。对于光束宽度与其波长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。此类光束可用于指向或扫描（例如激光打印、3D;激光扫描、条形码扫描、导弹的激光制导、激光雷达）。

4.波必须是相同的极化（极化相干）

光波的极化描述了其电场在空间中振荡的方向。如果一个波的电场上下振荡，而另一波的电场左右振荡，则它们的峰值不能对齐，因为峰值存在于不同的方向。光束中的不同波分量必须使它们的电场指向相同的方向，以便使它们的峰值对齐并使光束相干。偏振光很有用，因为我们可以通过物体改变光的偏振的方式（例如偏振测量法）了解光照射到的物体的一些信息。

如果满足上述所有标准，则峰值在任何地方都对齐，并且随着时间的推移保持对齐。因此光束是完全相干的。（请注意，完全相干在物理上是不可能的，但许多光束（例如激光束）可以非常接近于完全相干）。普通光，例如来自白炽灯泡或火的光，是不连贯的。来自火的光包含不同的光波，这些光波的频率不同、相位不同、行进方向不同且偏振态不同。聚焦非相干光，例如使用玻璃透镜，不会使光波具有相同的频率、相同的相位、相同的局部方向或相同的偏振。因此，聚焦非相干光不会使其像激光束一样相干。

激光中的受激发射现象非常有用，因为它产生的光通常在时间、光谱、空间和偏振上是相干的。受激发射意味着当一点光（一个光子）出现并将电子击倒到未激发状态时，电子处于激发态，使其在此过程中发射另一位光（另一个光子）。在击倒电子的过程中，原始光子导致新光子与其相干。这个过程以多米诺骨牌的方式重复；每次都会向光束中添加一个与原始光子相干的新光子。受激发射并不像听起来那么奇特，实际上一直在发生。设计工作激光器的难点在于使受激发射成为电子去激发的主要方式。在一块规则的物质中，被激发的电子最常通过与其他电子或原子碰撞而去激发，从而失去其能量来加热，或者通过自发地发射一些非相干光。因此，设计激光器涉及使受激电子的受激发射跃迁非常有可能，并使其他跃迁可能性降低。

请注意，受激发射并不是产生相干光束的唯一方法。对于可见光等高频波，受激发射是产生相干光束的最有效方式。但是对于无线电波等低频波，只需将正弦波电流驱动到天线中，就更容易产生相干波束。由以单一频率驱动的天线产生的波（例如那些承载无线电台广播的波）是相干的。这种广播无线电波在技术上不是激光束，因为它们不是由受激发射产生的，但它们具有激光束所有有用的相干特性。警察的雷达测速枪比大多数人意识到的更类似于演示激光笔。两者都是发射一束相干电磁波的手持设备。两者都没有使用聚焦来创建光束的相干性。