高中物理4.7《激光》素材粵教版選修3-4

1、神奇的激光在一般人的心目中，太陽(yáng)光可能是世界上光度最強(qiáng)的光。但是，到了20 世紀(jì)中葉，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)了一種比太陽(yáng)表面亮度高出100 億倍的光，它就是激光。首先得從物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)談起。原子是由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電的電子組成。電子繞原子核作高速運(yùn)動(dòng)，猶如九大行星繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。電子排列是分層的，內(nèi)層電子能量低，外層電子能量高，如果施加外力，使內(nèi)層的電子跳到外層，而外層的電子再跳回內(nèi)層，就會(huì)發(fā)生出燈光般的光束來。激光發(fā)光的基本原理就是電子跳躍而發(fā)射的光。當(dāng)人們通過強(qiáng)大的外力激發(fā)，使某一物質(zhì)中內(nèi)層電子悄悄地跳到外層，使外層的電子越聚越多，而后，來一個(gè)反跳，使眾多的高能電子一下子跳到低能的內(nèi)層。這

2、樣，就會(huì)發(fā)出強(qiáng)大的光束，而這種強(qiáng)大的光束就叫做激光。用來產(chǎn)生激光的儀器叫激光器。由激光器產(chǎn)生的激光，在短時(shí)間內(nèi)能發(fā)出巨大的能量。1960 年，美國(guó)科學(xué)家梅曼首先用紅寶石作材料，制成世界上第一臺(tái)激光器，獲得了6943A°的紅光， 開創(chuàng)了激光技術(shù)的先河。 如今形形色色的激光器如雨后春筍般出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已有數(shù)百種之多。種類繁多的激光器，它們都由三個(gè)主要部分組成：第一部分稱工作物質(zhì)，它是保證受激而產(chǎn)生激光的物質(zhì)；第二部分稱泵浦手段，這是不斷給產(chǎn)生激光的物質(zhì)補(bǔ)充能量；第三部分是振蕩腔，通過腔的振蕩不斷放大，從而保證激光輸出。人們給激光冠上神奇的稱謂，那是因?yàn)樗歇?dú)特的本領(lǐng)：方向性強(qiáng)，顏色純，能

3、量大等。因而，它的用途十分廣泛。用激光來加工機(jī)械，削鐵如泥，任何金屬在激光面前都會(huì)迎刃而解；用激光于通訊，攜帶信息量驚人，用之于電話，可使幾十億部電話同時(shí)通話；用之于電視，可傳播上千萬套；用之于印刷，分辨率達(dá)每英寸9000 個(gè)點(diǎn)，調(diào)制速率可達(dá)幾十兆赫；用之于計(jì)算機(jī)，比電子開關(guān)快1000 倍。尤其值得一提的是，激光還可以用來制造武器。比如，激光槍號(hào)稱20 世紀(jì)的無聲槍，可使對(duì)方士兵雙目失明；再如激光炮，它能量大命中率高，可輕易擊毀敵方坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈，甚至衛(wèi)星。美國(guó)在白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)，用功率最大的默蘭克爾激光炮對(duì)赫赫有名的大力神式導(dǎo)彈發(fā)射，不到 2 秒鐘，大力神導(dǎo)彈就折戟沉沙。激光炮的速度，達(dá)到驚

4、人地步，每秒可走30萬公里。激光的發(fā)現(xiàn)能為人類造福，但也能給人類帶來災(zāi)難?？茖W(xué)家的任務(wù)是，用其利，去其害，造福于子孫后代1. 什么是激光“激光”一詞在英文里是“LASER”，是“ LightAmplificationby Stimu IatadEmissi onof Radiation”的縮寫，意為“受激發(fā)射的輻射光放大”。1964 年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。激光，是一種嶄新的光源，是由激光器產(chǎn)生的一種光。激光是 20 世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常

5、的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。那么，激光到底是什么呢？還是讓我們來對(duì)此認(rèn)識(shí)一番吧！激光雖帶有“光”字，然而，它卻和普通的光截然不同。那么，激光和普通光到底有什么不同呢？第一，激光是一種顏色最單純的光。太陽(yáng)光和電燈光看起來似乎是白色的，但當(dāng)讓它通過一塊三棱鏡的時(shí)候，就可以看到紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫七種顏色的光，其實(shí)，還含有我們看不見的紅外光和紫外光。激光的顏色非常單純，而且只向著一個(gè)方向發(fā)光，亮度極高。用心愛心專心第二，激光的方向性

6、好。在發(fā)射方向的空間內(nèi)光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千萬倍，甚至億萬倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不僅在空間上高度集中，同時(shí)在時(shí)間上也高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱，成為無堅(jiān)不摧的強(qiáng)大光束。平時(shí)，我們見到的燈光，都是向四面八方發(fā)光，就好像電影院散場(chǎng)后，大家前前后后地向著四面八方以不同步伐走出來。打開室內(nèi)的電燈，整個(gè)房間都照亮了。又如，打開手電筒，在發(fā)出的部位，直徑不過 3 5 厘米，待射到幾米之外后，就擴(kuò)展成一個(gè)很大的光圈。這說明，光在傳播中發(fā)散了。然而，激光卻不同，它是大量原子由于受激輻射所產(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細(xì)線，發(fā)散的角度極小，一

7、束激光射到 38 萬千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有 2 千米左右。就好比電影院散場(chǎng)后，大家排著隊(duì)朝著一個(gè)方向，邁著相同大小的步伐，隨著“一、二、一”的口令，整整齊齊地前進(jìn)。第三，激光亮度最高。太陽(yáng)是人類共有的自然光源，整個(gè)世界沐浴在明亮的陽(yáng)光之下。太陽(yáng)表面的亮度比蠟燭大 30 萬倍，比白熾燈大幾百倍。激光的出現(xiàn)，更是光源亮度上的一次驚人的飛躍。一臺(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大 10 億倍。從地球照到月亮上在反射回來也不成問題。可見激光是當(dāng)今世界上高亮度的光源。第四，激光還可以具有很大的能量，用它可以容易地在鋼板上打洞或切割。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用激光高亮度特點(diǎn)已成功地進(jìn)行了激光

8、打孔、切割和焊接。在醫(yī)學(xué)上、利用激光的高能量可使剝離視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測(cè)繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測(cè)量和衛(wèi)星大地測(cè)量。在軍事領(lǐng)域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的光武器。2. 激光器激光是在 1960 年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有100 多年。確切地說，遠(yuǎn)在1893 年，在波爾多一所中學(xué)任教的物理教師布盧什就已經(jīng)指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點(diǎn)，但為未來發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極為重要的現(xiàn)象。1917 年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1958 年美國(guó)科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種奇怪

9、的現(xiàn)象：當(dāng)他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。1960年，美國(guó)人梅曼 (T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件- 二氧化碳激光器誕生。 1967 年，第一臺(tái)射線激光器研制成功。1997年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺(tái)

10、原子激光器。激光器的種類很多，可分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和染料等五種類型：（ 1）固體激光器一般小而堅(jiān)固，脈沖輻射功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛。（ 2）半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適于在飛機(jī)、軍艦、車輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器可以通過外加的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力等改變激光的波長(zhǎng)，能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能，所以發(fā)展迅速。（ 3）氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)， 單色性和相干性較好， 激光波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千種， 應(yīng)用廣 泛。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測(cè)量、全息技術(shù)等方應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵(lì)方式。（ 4）以液

11、體染料為工作物質(zhì)的染料激光器于1966 年問世，廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究領(lǐng)域?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的能產(chǎn)生激光的染料，大約在500 種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、用心愛心專心水或其他溶液。它們還可以包含在有機(jī)塑料中以固態(tài)出現(xiàn)，或升華為蒸汽，以氣態(tài)形式出現(xiàn)。所以染料激光器也稱為“液體激光器”。染料激光器的突出特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。燃料激光器種類繁多，價(jià)格低廉，效率高，輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美，應(yīng)用于分光光譜、光化學(xué)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)。（ 5）紅外激光器已有多種類型，應(yīng)用范圍廣泛，它是一種新型的紅外輻射源，特點(diǎn)是輻射強(qiáng)度高、單色性好、相干性好、方向性強(qiáng)。（ 6） X 射線激光器在科研和軍事上有重要

12、價(jià)值，應(yīng)用于激光反導(dǎo)彈武器中具有優(yōu)勢(shì)；生物學(xué)家用 X 射線激光能夠研究活組織中的分子結(jié)構(gòu)或詳細(xì)了解細(xì)胞機(jī)能; 用 X 射線激光拍攝分子結(jié)構(gòu)的照片 , 所得到的生物分子像的對(duì)比度很高。（ 7）化學(xué)激光器 有些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠多的高能原子，就可以釋放出大能量，可用來產(chǎn)生激光作用。（ 8）自由電子激光器 這類激光器比其他類型更適于產(chǎn)生很大功率的輻射。它的工作機(jī)制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調(diào)整電子束，經(jīng)周期磁場(chǎng)，形成不同能態(tài)的能級(jí)，產(chǎn)生受激輻射。世界第一臺(tái)自由電子激光器于1977 年問世，中國(guó)第一臺(tái)自由電子激光器于1985 年問世。自由電子激光器的能量是由外場(chǎng)加速后的自由電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而成

13、的。其輸出功率可達(dá)很高水平，在加工、反導(dǎo)、雷達(dá)、通信、光化學(xué)等方面都有很大的用途，所以它一問世就受到各國(guó)科技界的重視。美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1992 年研制出當(dāng)時(shí)世界上最小的固體激光器它在掃描電子顯微鏡下看起來就像一個(gè)個(gè)微型圖釘，其直徑只有2 至 10 微米。在一個(gè)大頭針的針頭上， 可以裝下 1 萬個(gè)這樣的新型半導(dǎo)體激光器。 1990 年美國(guó)研制成功畸變量子阱激光器，開關(guān)速度達(dá) 280 億次 / 秒，這是激光器有史以來達(dá)到的最高速度。1992 年日本推出一種高輸出半導(dǎo)體激光器，特點(diǎn)是服務(wù)壽命長(zhǎng)，在室溫下可連續(xù)工作5000 小時(shí)。用心愛心專心貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家研制了紅寶石脈塞放大

14、器1877 年世界上第一臺(tái)留聲機(jī)在愛迪生的手上誕生了！它是聲像技術(shù)發(fā)展的開端。人們并不滿足于唱機(jī)， 20 世紀(jì) 40 年代初， 德國(guó)研制出具有高頻偏磁和良好機(jī)械傳輸性能的磁帶錄音機(jī)，開拓出記錄聲音的新渠道。到 1955 年，美國(guó)無線電公司宣布實(shí)驗(yàn)成功磁帶彩色錄像機(jī)，能把自己和大自然的形像記錄下來，它揭開了聲像技術(shù)史的新頁(yè)，打開了現(xiàn)代聲像技術(shù)發(fā)展的大門和通路。 3 年后，美國(guó)安皮克公司生產(chǎn)出商用彩色錄像機(jī)。 1970 年，英國(guó)德卡公司研制出第一臺(tái)黑白電視錄像盤。兩年后，荷蘭菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色電視錄像盤。這就是現(xiàn)代激光光盤的誕生！激光光盤的誕生，激光在音響設(shè)備上的應(yīng)用，是音響上的一

15、次革命。人們利用激光，以“光針”代替鋼針、寶石針，制成激光唱片。激光唱片不僅能夠錄音，而且能夠錄像。激光唱片用來記錄、存儲(chǔ)聲音和圖像，可以說，這是聲像技術(shù)上的一次革命，一個(gè)偉大的創(chuàng)舉。自從激光光盤出現(xiàn)以來， 人們充分挖掘它的潛力， 創(chuàng)造多種功能的激光唱機(jī)和唱片， 1983 年，美國(guó)和日本分別研制成嶄新的數(shù)字錄音唱片。這種唱片完全擺脫了傳統(tǒng)唱片的制作和重播方式，為唱片開辟了一個(gè)全新的境界。這種數(shù)字唱片，在存儲(chǔ)技術(shù)等方面都有重要的用途。激光光盤技術(shù)發(fā)展很快，各種功能、各種用途的新型唱機(jī)、唱片層出不窮。于是，激光光盤和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、聲像技術(shù)聯(lián)手，踏入文獻(xiàn)存儲(chǔ)和檢索的領(lǐng)域。信息存儲(chǔ)在光盤上，快速檢索

16、、查閱和打印出所需要的資料。現(xiàn)在光盤書籍已進(jìn)入家庭生活。用心愛心專心(2) 逼真的照片現(xiàn)代的全息照相，伴隨著激光技術(shù)而獲得新生和發(fā)展，為我們提供了一種捕捉景物一切可見信息的途徑，可以得到極其逼真的立體顯示的全息照片。用全息照相方法所得到的照片，在適當(dāng)?shù)墓庹障?，原來的景物就?huì)再現(xiàn)在我們的面前。由于全息照片記錄了景物光波的全部信息，所以再現(xiàn)出來的景象和原來的一模一樣。全息照片再現(xiàn)出來的景象是如此逼真：使人產(chǎn)生身臨其境之感，以致想走過去仔細(xì)看看，想伸出手去摸一摸。全息照片是真正的立體照片。用全息照相方法所得到的照片，經(jīng)得起“破壞性的打擊”。全息照片的每一部分，不論有多大，都能再現(xiàn)出原來的整個(gè)景象，這

17、就是說，可以將全息照片分成若干小塊，每一小塊都可以完整地再現(xiàn)出原來的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某個(gè)案件中捕獲到的是毀壞了的全息照片的殘?jiān)?，總可以從一小塊碎片重新復(fù)制出原樣的照片來。(3) 激光醫(yī)學(xué)激光醫(yī)學(xué)是激光技術(shù)的新領(lǐng)域，1960 年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器問世后，1961 年即用于療視網(wǎng)膜脫落，1963 年激光光刀用于腫瘤切割。70 年代醫(yī)用激光治療機(jī)在臨床各科得到廣泛應(yīng)用。 1981 年聯(lián)合國(guó)衛(wèi)生組織正式宣布激光醫(yī)學(xué)為醫(yī)學(xué)的一個(gè)新分支。激光以其特有的優(yōu)越性能解決了許多傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的難題。激光治療最早用于眼科，對(duì)視網(wǎng)膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能

18、用激光治療。激光手術(shù)刀具有術(shù)中出血少，可減少細(xì)菌感染等優(yōu)點(diǎn)。激光與中醫(yī)針灸術(shù)結(jié)合而形成的“光針”，對(duì)鎮(zhèn)痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。激光技術(shù)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提供了一種“神力”，能夠治療內(nèi)科、外科、眼科、皮膚、腫瘤和耳鼻喉科的 100 多種疾病。激光己成為有益于人類的幸福之光，生命之光。(4) 光纖通信光導(dǎo)纖維傳光是利用在光導(dǎo)纖維中傳輸光線在界面上發(fā)生全反射來實(shí)現(xiàn)的。這種透明細(xì)長(zhǎng)纖維傳光現(xiàn)象很早就為希臘玻璃工人所發(fā)現(xiàn)。1870 年英國(guó)人廷德爾首先通過實(shí)驗(yàn)觀察到光沿彎曲水柱傳播的現(xiàn)象。1929 年美國(guó)人哈塞爾制成石英纖維，但由于質(zhì)量差，沒能實(shí)際應(yīng)用。50 年代美國(guó)人卡帕尼和荷蘭人馮西爾首先制成玻璃

19、芯，解決了光學(xué)絕緣的難題。激光器的問世，纖維光學(xué)才真正得到飛速發(fā)展。 1973 年第一個(gè)光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室建成。光纖通信進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)在以光導(dǎo)纖維為傳導(dǎo)介質(zhì)的傳感技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、通信、紡織、航空航天、電氣、汽車、自動(dòng)化等幾乎所有工程領(lǐng)域和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛使用。可視電話也是靠大容量的光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在通話時(shí)，不但彼此能看到對(duì)方的音容笑貌，還能相互展示手中的照片及其他東西。親人遙隔千萬里，就像相聚在一起一樣。可視電話還可以用于電話會(huì)議、醫(yī)療會(huì)診、指揮生產(chǎn)等。光纖通信在有線廣播電視方面也大有可為。利用光纜構(gòu)成電視網(wǎng)，能夠傳送幾百幾千套電視，使人們可以隨意選擇

20、收看各種各樣的電視節(jié)目，而且這種電視不受地形地物障礙的影響。此外，還可以迅速及時(shí)地傳送電視報(bào)紙，可以進(jìn)行電視教學(xué)。用心愛心專心5）藝術(shù)殿堂升光輝卡拉 OK音樂廳、鐳射舞廳有一位極其重要的“配角”激光，運(yùn)用激光手段，增添信息，拓展時(shí)空，使豐富多采的節(jié)目更加令人回味無窮，可以說，藝術(shù)的成功，也與激光作為“配角”是分不開的，最常用的是能夠產(chǎn)生紅綠藍(lán)3 色的離子激光器。目前，已出現(xiàn)獨(dú)具特色的光子樂器，它和電子樂器相比也毫不遜色。激光光纖吉他，光導(dǎo)纖維作為吉他的琴弦，通過光信號(hào)的變化，可以演奏出極其美妙的樂曲。激光豎琴，更是別具一格， 琴弦是由一臺(tái)氪激光器和兩臺(tái)氬激光器產(chǎn)生的一排絢麗多采的豎直光束。琴師

21、“撥奏”激光豎琴的“琴弦”有節(jié)律地遮斷光束，啟動(dòng)琴中的光電傳感器，于是便奏出令人叫絕的樂曲。光子在音樂領(lǐng)域里的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止這些，從發(fā)展來看，光子樂器雖然是后起之秀，卻大有后來居上之勢(shì)。激光不但是醫(yī)生手中的手術(shù)刀，還是畫家和雕刻家手中的光筆和雕刻刀。藝術(shù)家們利用激光束這得心應(yīng)手的畫筆和刻刀，在各種紙板、木板、石板、玻璃板和金屬板上進(jìn)行繪畫和雕刻創(chuàng)作，可以借助于激光束的強(qiáng)度、聚焦和散焦的變化，創(chuàng)作出完美的獨(dú)具風(fēng)格和特色的作品來；還可以借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)所創(chuàng)作的作品進(jìn)行修改。此外，激光還可以用修復(fù)名畫，使已經(jīng)黯然的畫面恢復(fù)其青春的光彩。（ 6）五谷豐登也靠它人類要生存，第一需要是糧食。播下什么種子，就會(huì)有什么收獲。現(xiàn)在，在農(nóng)作物品種改良和新品種培育方面，人們利用激 光處理種子，收到了明顯的增產(chǎn)效果。人們通過對(duì)激光育種的生物學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)在特定激光輻照作用下，產(chǎn)生光物理、光化學(xué)和光生物學(xué)效應(yīng)，就會(huì)出現(xiàn)“染色體”變異，于是導(dǎo)致遺傳性狀的改變，而產(chǎn)生出新的品 種。人們還用激光適當(dāng)?shù)卣丈湫Q豆、玉米、蘿卜、黃瓜和西紅柿的種子，加速種子發(fā)芽，提高種子出芽率，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，使農(nóng)作物早熟、抗病、增產(chǎn)。人們利用不同波長(zhǎng)、不同劑量的激光進(jìn)行試驗(yàn)，深入研究綠色植物光合作用的基本機(jī)理，深入研究從發(fā)芽