例說激光的原理和應(yīng)用

例說激光的原理和應(yīng)用李木成激光在現(xiàn)代技術(shù)中占有非常重要的地位，高中物理教材對(duì)激光的原理和特性進(jìn)行了初步介紹.與激光知識(shí)相關(guān)的命題不僅可以考查學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的理解，也能對(duì)學(xué)生的物理綜合能力和接受處理新知識(shí)的能力進(jìn)行有效的考查，是當(dāng)前命題的一個(gè)熱點(diǎn).現(xiàn)舉例說明如下.例1.太赫茲輻射（1THz=10i2Hz）是指頻率從0.3THz到10THz、波長(zhǎng)介于無線電波中的毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域，所產(chǎn)生的T射線在物體成像、醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測(cè)、通訊等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.最近，意大利和英國的科學(xué)家終于研制出以紅外線激光器為基礎(chǔ)的首臺(tái)可產(chǎn)生4.4THz的T射線激光器，從而使T射線的有效利用成為現(xiàn)實(shí).關(guān)于4.4THz的T射線，下列說法中錯(cuò)誤的是（譜朗克常數(shù)^=6.63X10-341?S）它在真空中的速度為3.0X108m/sB.它是某種原子核衰變時(shí)產(chǎn)生的C.它的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)D.它的光子的能量約為2.9X10-21J解析：選B.激光是由原子受激輻射產(chǎn)生的.例2.處于激發(fā)態(tài)的原子，如果在入射光子的電磁場(chǎng)的影響下，引起高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時(shí)在兩個(gè)狀態(tài)之間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去，這種輻射叫受激輻射.原子發(fā)生受激輻射時(shí)，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)射方向等，都跟入射光子完全一樣，這樣使光得到加強(qiáng)，這就是激光產(chǎn)生的機(jī)理.那么發(fā)生受激輻射時(shí)，產(chǎn)生激光的原子的總能量氣、電子的電勢(shì)能Ep、電子動(dòng)能Ek的變化關(guān)系是A.Ep增大、Ek減小、En減小B.Ep減小、Ek增大、En減小C.E增大、Ek增大、En增大D.E減小、Ek增大、En不變解析:°選B，原子從亞穩(wěn)定態(tài)輻射激光光子回到基態(tài)，總能量減少，電子的軌道半徑e2v2更小，由于k—=m一，所以電子速度更大，動(dòng)能增加，原子勢(shì)能減少.r2r例3.納米技術(shù)是跨世紀(jì)的新技術(shù)，將激光束的寬度集中到納米范圍內(nèi)，可修復(fù)人體已損壞的器官，對(duì)DNA分子進(jìn)行超微型基因修復(fù)，把諸如癌癥、遺傳疾病等徹底根除.在上述技術(shù)中，人們主要利用了激光的A.單色性B.單向性C.亮度高D.粒子性解析：選C.激光的光束很狹窄，能量集中，所以有很強(qiáng)的威力根除病變基因而不傷及正常部分.例4.白熾燈和激光比較，下列說法正確的是白熾燈光會(huì)有各種波長(zhǎng)的光，而激光是某種特定波長(zhǎng)的光白熾燈光和激光都能用來高速傳遞大容量信息白熾燈光不是相干光，而激光是相干光以上說法都不正確解析：選A、C.白熾燈光是由熾熱固體發(fā)出的光，含有各種頻率的光譜，不是相干光，而激光由原子外層電子受激輻射產(chǎn)生，是僅有特定波長(zhǎng)的相干光，能像無線電那樣進(jìn)行調(diào)制用來傳遞信息，光纖通訊就是激光和光導(dǎo)纖維結(jié)合的產(chǎn)物.例5.紅寶石激光器發(fā)射的激光是一道道不連續(xù)的閃光（稱為光脈沖），設(shè)激光器的發(fā)射功率P=1.0X101CW，激光波長(zhǎng)X=6.934nm，普朗克常數(shù)h=6.63x10-34j?s，問每列光脈沖的長(zhǎng)度是多少？一個(gè)光脈沖中含有光子數(shù)n是多少?解析：以^t、Z和c分別表示脈沖的持續(xù)時(shí)間、長(zhǎng)度和光在真空中的傳播速度，由題意知：l=cAt=3.0x10-3m；以P和E表示紅寶石激光器發(fā)射功率和光脈沖的能量，則有：E=PAt以入和v表示紅寶石激光的波長(zhǎng)和頻率有：V=C，每個(gè)紅寶石激光光子的能量人hv=hC，所以每列光脈沖中的光子數(shù)n==="：*=3.5x1017人hvhc例6.激光器發(fā)出的一束激光功率為P，光束的橫截面積為S.（1）當(dāng)該激光束垂直照射在物體表面時(shí)，試計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)物體表面的光子的總動(dòng)量.（2）若激光束被物2P體表面完全反射，證明其在表面引起的光壓是「cS解析：（1）設(shè)單位時(shí)間內(nèi)激光器發(fā)出的光子數(shù)為n，每個(gè)光子的能量為E，動(dòng)量為p，P=h=hV=E，則激光器的功率為P=nE，所以單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)物體表面的光子人cc一EP總動(dòng)量為p總=np=n=.（2）激光束被物體表面完全反射時(shí)，其單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量改變量為2P2pAp=2p總=-廠，根據(jù)動(dòng)量定理激光束對(duì)物體表面的作用力為Fm=c，因此激光束在2P物體表面引起的光壓為pm=cS.例6.在一個(gè)真空內(nèi)，一束非常準(zhǔn)直的原子束（通過樣品在1000K高溫下蒸發(fā)而獲得，原子做熱運(yùn)動(dòng)的速率近似為v0=1000m/s），受一束激光的正面照射，如圖1，設(shè)原子處在基態(tài)，運(yùn)動(dòng)方向與激光光子運(yùn)動(dòng)方向相反.選好激光頻率使光子能量E等于鈉原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)能量差，原子就能吸收它而發(fā)生躍遷，躍遷后原子速度變?yōu)椋?，速度變化量為△v1=v1-v0，隨后該原子發(fā)射光子并回到基態(tài)，設(shè)所發(fā)射光子運(yùn)動(dòng)方向與速度v0方向總是相同的，此時(shí)原子速度變?yōu)関2,速度變化量為△v2=v2-v1.接著重復(fù)上述過程，直到原子速度減小到零.問題：（1）吸收與發(fā)射光子的總數(shù)n是多少？TOC\o"1-5"\h\z（2）原子停留在激發(fā)態(tài)上的時(shí)間稱為原子在這種1000K狀態(tài)下的壽命，用T表示，大小約10-8s，忽略每次吸yc:R收與發(fā)射光子的時(shí)間.按上述方式原子從初速v0減小到零，共需多長(zhǎng)時(shí)間？該時(shí)間內(nèi)原子共走過的路程L約多少？（E=3.36X10-19J，阿伏加德羅常數(shù)N=6.0X圖］1023mol-1，光速c=3.0X108m/s）解析：題中所描述的物理過程就是“激光致冷”原理.由于光子具有一定的動(dòng)量，原子吸收迎頭而來的光子令原子減速，原子受激發(fā)后又會(huì)回到基態(tài)而發(fā)射出一個(gè)光子，產(chǎn)生反沖使原子的運(yùn)動(dòng)再次減慢，這樣原子就“冷卻”了.一九九七年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者華裔學(xué)者朱棣文教授及其同事，在稀薄的納原子氣體周圍相互垂直的三個(gè)方向上安裝三對(duì)反向傳播的激光束，使原子冷卻到240pK.原子吸收與發(fā)射光子可類比為下述物理過程：如圖2,一輛小車以速度v0向右運(yùn)動(dòng)（不計(jì)阻力），在車前一只小球以速度c向左扔到小車上，車速減為七；接著車上的人又以

速度c把小球向右扔出，車速減到v2.hhyE(1)光子的動(dòng)量P=f=—=—，光子與原子構(gòu)成的人cc吸收光子：叫-p=叫，放出光子：mv1=mv2+P化簡(jiǎn)得A吸收光子：叫-p=叫，放出光子：mv1=mv2+P化簡(jiǎn)得Av=Av=-旦,n=7^0-1