1.2.1 高方向性

光束的方向性用平面发散角θ评价，平面发散角的含义如图1-3所示。θ角越小光束发散越小，方向性越好，若θ角趋于零，就可以近似地称为“平行光”。

各种普通光源发出的光都是非定向的，向空间四面八方辐射，如图1-4所示的灯光，即发散角差不多达360°（或者说，分布在4π立体角内），无所谓方向性，不能集中在确定的方向上发射到较远的地方。为了改善光束的方向性，需要借助于光学系统，如探照灯、汽车前灯等，采用定向聚光反射镜的探照灯，其光束的平面发散角约为10rad。

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，激光束具有很高的方向性。激光所能达到的最小光束发散角要受到衍射效应的限制，即它不能小于激光通过输出孔径时的衍射角，通常称为衍射极限θm。

式中，λ为波长；D为光束直径。

激光的发散角一般在毫弧度数量级。不同类型的激光器方向性差别很大，通常，气体激光器方向性最好，发散角较小，很接近衍射极限；固体激光介质的不均匀性比气体差，因此固体激光器的发射角比衍射极限θm大些；半导体激光器的方向性最差，发散角偏大。此外，光束发散角还随激光功率及模数的增加而增大。借助于光学系统，可使激光器的方向性进一步提高，接近于平行光束。常用激光束的发散角如表1-1所示。

表1-1 常用激光束的发散角

1rad=57.3°，1mrad=0.057°

由于激光的高方向性，使其能有效地传输较长的距离。1969年的阿波罗计划，人们将激光束投射到距地球38.6万千米的月球上，光斑直径也只有约1000米，通过宇航员设置在月球上的反射镜，利用激光首次精确地测量了地球到月球之间的距离，精度约±15cm。

激光的高方向性还能够保证聚焦后得到极高的功率密度。可以证明，当一束发散角为θ的单色光被焦距为F的透镜聚焦时，焦面光斑直径为D=Fθ，在θ等于衍射极限θm的情况下，则有，这说明，在理想情况下可将激光的能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑上，形成极高的能量密度。