1.2.1 高方向性

光束的方向性用平面發散角θ評價，平面發散角的含義如圖1-3所示。θ角越小光束發散越小，方向性越好，若θ角趨于零，就可以近似地稱為“平行光”。

各種普通光源發出的光都是非定向的，向空間四面八方輻射，如圖1-4所示的燈光，即發散角差不多達360°（或者說，分布在4π立體角內），無所謂方向性，不能集中在確定的方向上發射到較遠的地方。為了改善光束的方向性，需要借助于光學系統，如探照燈、汽車前燈等，采用定向聚光反射鏡的探照燈，其光束的平面發散角約為10rad。

由于諧振腔對光振蕩方向的限制，激光只有沿腔軸方向受激輻射才能振蕩放大，所以，激光束具有很高的方向性。激光所能達到的最小光束發散角要受到衍射效應的限制，即它不能小于激光通過輸出孔徑時的衍射角，通常稱為衍射極限θm。

式中，λ為波長；D為光束直徑。

激光的發散角一般在毫弧度數量級。不同類型的激光器方向性差別很大，通常，氣體激光器方向性最好，發散角較小，很接近衍射極限；固體激光介質的不均勻性比氣體差，因此固體激光器的發射角比衍射極限θm大些；半導體激光器的方向性最差，發散角偏大。此外，光束發散角還隨激光功率及模數的增加而增大。借助于光學系統，可使激光器的方向性進一步提高，接近于平行光束。常用激光束的發散角如表1-1所示。

表1-1 常用激光束的發散角

1rad=57.3°，1mrad=0.057°

由于激光的高方向性，使其能有效地傳輸較長的距離。1969年的阿波羅計劃，人們將激光束投射到距地球38.6萬千米的月球上，光斑直徑也只有約1000米，通過宇航員設置在月球上的反射鏡，利用激光首次精確地測量了地球到月球之間的距離，精度約±15cm。

激光的高方向性還能夠保證聚焦后得到極高的功率密度。可以證明，當一束發散角為θ的單色光被焦距為F的透鏡聚焦時，焦面光斑直徑為D=Fθ，在θ等于衍射極限θm的情況下，則有，這說明，在理想情況下可將激光的能量聚焦到直徑為光波波長量級的光斑上，形成極高的能量密度。