激光束不僅僅是聚焦光。激光束是相干光。此外，無(wú)論您多么努力，都無(wú)法通過(guò)巧妙地聚焦普通光線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生激光束。您可以使用受激發(fā)射創(chuàng )建激光束。受激發(fā)射是導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。事實(shí)上，“激光”一詞實(shí)際上是一個(gè)首字母縮寫(xiě)詞，代表“受激輻射的光放大”。

什么是連貫性？在最簡(jiǎn)單的圖片中，您可以將一束光想象成一束穿過(guò)空間的小正弦波。在這張圖片中，相干性意味著(zhù)各種正弦波的所有各自的峰值都在空間中排列，并隨著(zhù)波的傳播繼續保持排列。短語(yǔ)“排列”的意思是，如果您能夠在特定時(shí)間對光束中的不同波分量進(jìn)行快照，您會(huì )發(fā)現所有第一個(gè)峰值都在空間中的同一位置，所有第二個(gè)峰的距離相同，等等。為了使峰在任何地方都完全對齊，必須發(fā)生一些事情：

1.波必須具有大致相同的波長(cháng)（時(shí)間相干性）

如果一個(gè)波的連續波峰相隔 600 納米的距離，而另一個(gè)波的波峰相隔;830&;納米的距離，那么很明顯，如果您排列一對峰，則不能排列任何一個(gè)其他對峰。理想情況下，如果所有波分量都具有完全相同的波長(cháng)（并且滿(mǎn)足下面列出的其他標準），那么所有峰值都可以永遠完美地排列在一起。這種情況實(shí)際上在物理上是不可能的。需要無(wú)限長(cháng)的光束才能使所有波分量具有完全相同的波長(cháng)（此陳述的證明并不明顯，需要傅立葉分析）。盡管完全單波長(cháng)的光束在物理上是不可能的，但我們可以非常非常接近。實(shí)際上，具有非常接近單波長(cháng)（稱(chēng)為“單色”）的光束是激光器如此有用的主要原因之一。使用單色光可以讓我們測量或觸發(fā)材料中非常特定的響應（例如光譜、激光冷卻）。

2. 波必須同相（光譜相干）

波的相位描述了某個(gè)參考點(diǎn)處存在正弦波周期的哪一部分。兩個(gè)相位相差;180°&;的波將有一個(gè)波在空間中的同一點(diǎn)達到峰值，而另一個(gè)波則在底部下降。因此，即使兩個(gè)波具有相同的波長(cháng)，如果一個(gè)波相對于另一個(gè)波向前移動(dòng)一點(diǎn)，它們的峰值將不會(huì )對齊。光束中各種波的相位必須相同，以使它們的峰值對齊并使光束在光譜上相干。相干光束的穩定相位非常有用。當波與材料相互作用時(shí)，波的相位往往會(huì )發(fā)生變化，因此使用具有穩定相位的光束可以讓我們測量由于材料引起的相移，從而了解材料的一些信息（例如橢圓偏光法）。

3.波必須局部同向傳播（空間相干性）

如果一個(gè)波向北傳播，另一個(gè)波向東北傳播，那么它們的峰值就無(wú)法對齊。只有當光束在每個(gè)點(diǎn)的波以相同的方向傳播時(shí)，波峰才能對齊。請注意，有些人將這一原則重申為“所有光線(xiàn)都是平行的”。這樣的說(shuō)法過(guò)于簡(jiǎn)單化到了錯誤的地步。如果一束相干光束（如激光束）由完全平行的光束組成，那么這些光束在行進(jìn)時(shí)不會(huì )擴散。實(shí)際上，梁總是當它們穿過(guò)空間時(shí)遠離直線(xiàn)運動(dòng)（我們稱(chēng)之為“衍射”）。您可能不會(huì )用肉眼注意到激光束的發(fā)散，但它確實(shí)存在。與其說(shuō)相干光束中的所有光線(xiàn)都是平行的，更準確的說(shuō)法是空間中某一點(diǎn)的波分量在單個(gè)相干光束中平行，但點(diǎn)到點(diǎn)不平行。此外，如果兩個(gè)波以不同的方向傳播，但滿(mǎn)足所有其他共同相干的標準，我們將這兩個(gè)波視為完全獨立的光束，它們的組合會(huì )導致干涉圖。對于光束寬度與其波長(cháng)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。此類(lèi)光束可用于指向或掃描（例如激光打印、3D;激光掃描、條形碼掃描、導彈的激光制導、激光雷達）。

4.波必須是相同的極化（極化相干）

光波的極化描述了其電場(chǎng)在空間中振蕩的方向。如果一個(gè)波的電場(chǎng)上下振蕩，而另一波的電場(chǎng)左右振蕩，則它們的峰值不能對齊，因為峰值存在于不同的方向。光束中的不同波分量必須使它們的電場(chǎng)指向相同的方向，以便使它們的峰值對齊并使光束相干。偏振光很有用，因為我們可以通過(guò)物體改變光的偏振的方式（例如偏振測量法）了解光照射到的物體的一些信息。

如果滿(mǎn)足上述所有標準，則峰值在任何地方都對齊，并且隨著(zhù)時(shí)間的推移保持對齊。因此光束是完全相干的。（請注意，完全相干在物理上是不可能的，但許多光束（例如激光束）可以非常接近于完全相干）。普通光，例如來(lái)自白熾燈泡或火的光，是不連貫的。來(lái)自火的光包含不同的光波，這些光波的頻率不同、相位不同、行進(jìn)方向不同且偏振態(tài)不同。聚焦非相干光，例如使用玻璃透鏡，不會(huì )使光波具有相同的頻率、相同的相位、相同的局部方向或相同的偏振。因此，聚焦非相干光不會(huì )使其像激光束一樣相干。

激光中的受激發(fā)射現象非常有用，因為它產(chǎn)生的光通常在時(shí)間、光譜、空間和偏振上是相干的。受激發(fā)射意味著(zhù)當一點(diǎn)光（一個(gè)光子）出現并將電子擊倒到未激發(fā)狀態(tài)時(shí)，電子處于激發(fā)態(tài)，使其在此過(guò)程中發(fā)射另一位光（另一個(gè)光子）。在擊倒電子的過(guò)程中，原始光子導致新光子與其相干。這個(gè)過(guò)程以多米諾骨牌的方式重復；每次都會(huì )向光束中添加一個(gè)與原始光子相干的新光子。受激發(fā)射并不像聽(tīng)起來(lái)那么奇特，實(shí)際上一直在發(fā)生。設計工作激光器的難點(diǎn)在于使受激發(fā)射成為電子去激發(fā)的主要方式。在一塊規則的物質(zhì)中，被激發(fā)的電子最常通過(guò)與其他電子或原子碰撞而去激發(fā)，從而失去其能量來(lái)加熱，或者通過(guò)自發(fā)地發(fā)射一些非相干光。因此，設計激光器涉及使受激電子的受激發(fā)射躍遷非常有可能，并使其他躍遷可能性降低。

請注意，受激發(fā)射并不是產(chǎn)生相干光束的唯一方法。對于可見(jiàn)光等高頻波，受激發(fā)射是產(chǎn)生相干光束的最有效方式。但是對于無(wú)線(xiàn)電波等低頻波，只需將正弦波電流驅動(dòng)到天線(xiàn)中，就更容易產(chǎn)生相干波束。由以單一頻率驅動(dòng)的天線(xiàn)產(chǎn)生的波（例如那些承載無(wú)線(xiàn)電臺廣播的波）是相干的。這種廣播無(wú)線(xiàn)電波在技術(shù)上不是激光束，因為它們不是由受激發(fā)射產(chǎn)生的，但它們具有激光束所有有用的相干特性。警察的雷達測速槍比大多數人意識到的更類(lèi)似于演示激光筆。兩者都是發(fā)射一束相干電磁波的手持設備。兩者都沒(méi)有使用聚焦來(lái)創(chuàng )建光束的相干性。