2011届物理激光

兴义市天赋中学物理选修三教案：18.5 激 光三维教学目标1、知识与技能（1）了解激光产生的机理；（2）通过阅读，收集整理相关资料，认识激光器的构成和常见激光器。2、过程与方法（1）通过课外阅读，收集整理有关激光应用的资料，培养加工处理信息的能力；（2）通过对激光的特点及应用的学习，培养应用物理知识解决实际问题的能力。3、情感、态度与价值观：通过对激光应用的学习，使学生感受到科学知识的无究力量，培养热爱科学的品质。教学重点：激光产生的机理。教学难点：激光产生的机理。教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。教学过程：第五节 激 光（一）引入新课 我们已经学习了氢原子光谱，了解了有关物质发光的知识。对于普通的光源，如白炽灯，灯丝原子吸收了电流做功产生的热被激发到高能级，即处于激发态，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向更低能级跃迁，同时放出光子，这就是自发发射。经过一个或多个这样的过程，原子最终回到基态。在原子自发发射过程中，包含了各种频率的光，因此，这种普通光源发出的光不是相干光。 今天我们就来学习一种不同于自发发射的光，这种光被称为激光。英文缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。（二）进行新课1、激光的产生机理（1）概念：激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、增强的光”。英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。（2）产生机理：激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射后发生跃迁的特性。 激光的产生包括以下三个步骤： 第一、设置工作物质（发光物质可以是气体、液体或固体）。 第二、泵浦（补充能量）实现粒子数反转受激辐射。 第三、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。（课件展示） 2、激光器（1）激光器的组成：（2）激光器的种类 第一、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）。 第二、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）。 第三、固体激光器（红宝石激光器、钇铝石榴石激光器）。（3）激光的特性和应用 激光的特点：单色性、方向性、相干性、高亮度。 天文领域：激光望远镜测天体距离。 工业材料的加工：激光雕刻、切割、焊接。 医学领域：激光手术。 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）。 军事领域：a、激光制导炸弹；b、激光热武器。附1：【阅读材料】1、关于激光的概念 LASER：Light（光） Amplification（放大） by Stimulated（增强） Emission（发射） of Radiation（辐射&发光）。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）。 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）。2、各种激光器 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。 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。 “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。 “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。3、关于激光的应用 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1.52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。 信息存储：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2030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。 激光武器：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。4、发展大事记（1）1916年，爱因斯坦提出“受激辐射”（和“自发辐射”对立）理论；（2）1928年，德国的光谱学家拉登堡（R.W.Ladenburg）发现“负色散现象”；（3）1947年，兰姆（W.E.Lamb，jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）