高中物理 第四章激光 4页

激光 ‎ ‎【教学目的】‎ ‎1、了解激光的特点 ‎2、了解激光的应用 ‎【教学重点】‎ 激光的应用 ‎【教学难点】‎ 为什么激光具有特殊的性质 ‎【课时安排】‎ ‎1课时 ‎【教学过程】‎ ‎○、引入 从偏振的介绍我们发现，光波作为一种电磁波，比起机械横波有它的复杂性。本节课，我们将介绍一种特殊的光波，以及它的应用——‎ 一、激光 ‎1、概念：激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、增强的光”。由于它的英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，可以被缩写为Laser ，中文也常常音译为“镭射”。‎ ‎2、产生机理：‎ a、设置工作物质（发光物质——可以是气体、液体或固体）；‎ b、泵浦——*能把大量的处于基态能级的电子激发到高能级上去的装置。常见的泵浦有光源、化学能源（固体工作物质多用光照射法，气体工作物质多用放电法）（补充能量）实现粒子数反转——*属于高能态的电子比属于低能态的电子数多（所谓“反转”，是因为这种状况突破了“正常”的玻耳兹曼分布规律）→受激辐射；‎ c、谐振腔（内连续来回反射、振荡）诱发同性质的跃迁→使同频率、同相位的受激辐射得以放大。‎ ‎3、激光的特点：a、单色性；b、方向性；c、相干性；d、高亮度（能量）。‎ ‎4、发展大事记：‎ a、1916年，爱因斯坦提出“受激辐射”（和“自发辐射”对立）理论；‎ b、1928年，德国的光谱学家拉登堡（R.W.Ladenburg）发现“负色散现象”；‎ c、1947年，兰姆（W.E.Lamb ，jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）指出，通过粒子数反转可以期望实现感应辐射（即受激辐射）；‎ d、1953年，美国的汤斯小组制成“微波激射器”；‎ e、1958年，肖洛和汤斯的论文《红外区和光学激射器》论证了将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性；‎ f、1960年，美国的梅曼制成第一台红宝石激光器；‎ g、1961年，我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生。‎ ‎5、激光器的分类：‎ a、气体激光器（氦氖激光器、氩离子激光器、“隐形杀手”二氧化碳激光器）；‎ ‎*氩离子激光器：它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦。因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光，所以在眼科上用得最多。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因而可广泛用于水下勘测作业。‎ ‎* “隐身”激光器：二氧化碳激光器可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。‎ b、液体、化学和半导体激光器（“变色龙”染料激光器、“死光”氟化氢激光器、砷化镓激光器）；‎ ‎* “变色”激光器：工作物质就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。气体产生的激光有明确的波长，而染料产生的激光，波长范围较广，或者说有多种色彩。染料激光器的光学谐振腔中装有一个称为光栅的光学元件。通过 它可以根据需要选择激光的色彩，就像从收音机里选听不同频率的无线电台广播一样。这种激光器主要用于光谱学研究。‎ ‎*化学激光器：是用化学反应来产生激光的，如氟原子和氢原子发生化学反应时，能生成处于激发状态的氟化氢分子。当两种气体迅速混合后，就能直接从化学反应中获得很强大的光能。这类激光器比较适合于野外工作，或用于军事目的，令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。‎ c、固体激光器（红宝石激光器、钇铝石榴石激光器）。‎ 二、激光的应用 ‎1、天文领域：激光望远镜测天体距离。‎ ‎*上海天文台60厘米卫星激光望远镜：上海天文台的第三代卫星激光测距系统建立于1986年，主要由60厘米口径的望远镜、自滤波锁模激光器、高精度时间间隔计数器和时频系统等部分组成。由于采用了先进的单光子雪崩二极管接收器，以及卫星跟踪和测量过程由计算机自动控制，使测量精度大大提高。目前这台仪器可测量的最大距离是二万公里，精确度为1.5－2厘米。经过多年努力，1998年上海天文台的SLR系统在国内第一个实现了白天激光测距，达到了世界先进水平，从而不仅使观测数量增加一倍，还能保证所有卫星轨道都能取得观测资料，对提高定轨精度及应用研究极为重要。上海天文台SLR站是中国SLR联测网的负责单位，也是国家大科学工程“地壳运动观测网络”的重要观测基地之一，同时与国外SLR站有着密切的合作关系，是国际激光测距服务（ILRS）和西太平洋激光跟踪网的重要组成单位。‎ ‎2、工业材料的加工：激光雕刻、切割、焊接。‎ ‎3、医学领域：激光手术。‎ ‎4、信息技术领域：a、信息传输（激光光纤）；b、信息存储（激光刻录CD 、DVD 、软件）。‎ ‎*激光在贮存信息方面有全息照相、光学计算机、光盘等。以往的光学图象只能记录光的强度，利用激光既可以记录光的强度又可以记录光的相位，即可以记录光的全部信息，‎ 因此称为全息照相。照出的图象是立体的。利用激光的相干性，人们正在研究光学计算机。光学计算机与电子计算机相比，具有运算速度快、信息容量大的优点。它的信息处理过程接近于人眼和大脑的观察与识别外界事物的过程。光盘即激光视盘，是利用激光贮存信息的“唱片”。它是由两片透明塑料组成，塑料片上涂有一层反射膜。光盘的厚度约1毫米，直径为20～30厘米，两面都可使用。用光盘播放时，首先由半导体激光器发出激光，一台小型计算机控制激光来扫描，得到以数字形式输入的脉冲信号，再由计算机转换成电视信号传给电视机。用光盘播放的音像质量高，使用寿命长，而且光盘中记录的每幅图象都有编号，可以任意选取，非常方便。‎ ‎5、军事领域：a、激光制导炸弹；b、激光热武器。‎ ‎*激光武器分为激光制导炸弹和激光热武器两种。激光制导炸弹在攻击目标时，由目标指示飞机发射激光，照射目标，由运载机投弹，制导炸弹（即导弹）则根据从目标反射回来的激光飞向目标。这种炸弹偏离目标不大于‎10米，而普通炸弹则通常平均偏离目标在‎100米左右。激光热武器是利用激光的热效应来破坏目标的。轻型的激光热武器可称为激光枪，可用来杀伤人员，重型的称为激光炮，可烧毁装甲车、飞机、导弹和卫星等。激光热武器的优点是速度快，命中率高。缺点是不能大面积摧毁目标。制造激光热武器要求有大功率的激光器，目前有一些技术难题尚未完全解决，还处于研制阶段。‎ 三、小结 本节课，我们了解了一种特殊的光波，和它的一些相关应用。介绍停留在常识的层面，对于深层次的知识，因为篇幅和时间的关系，没有涉及。希望大家能够通过中学阶段的“抛砖引玉”引起对于前沿科技的兴趣，进而树立起攀登科学高峰的信念。‎