高中物理 4.7《激光》素材 粤教版选修3-4

用心 爱心 专心 神奇的激光神奇的激光 在一般人的心目中 太阳光可能是世界上光度最强的光 但是 到了 20 世纪中叶 科 学家们却发现了一种比太阳表面亮度高出 100 亿倍的光 它就是激光 首先得从物质的原子 结构谈起 原子是由带正电荷的原子核和带负电的电子组成 电子绕原子核作高速运动 犹 如九大行星绕着太阳运转一样 电子排列是分层的 内层电子能量低 外层电子能量高 如 果施加外力 使内层的电子跳到外层 而外层的电子再跳回内层 就会发生出灯光般的光束 来 激光发光的基本原理就是电子跳跃而发射的光 当人们通过强大的外力激发 使某一物 质中内层电子悄悄地跳到外层 使外层的电子越聚越多 而后 来一个反跳 使众多的高能 电子一下子跳到低能的内层 这样 就会发出强大的光束 而这种强大的光束就叫做激光 用来产生激光的仪器叫激光器 由激光器产生的激光 在短时间内能发出巨大的能量 1960 年 美国科学家梅曼首先用红宝石作材料 制成世界上第一台激光器 获得了 6943A 的红光 开创了激光技术的先河 如今形形色色的激光器如雨后春笋般出现 据统 计 已有数百种之多 种类繁多的激光器 它们都由三个主要部分组成 第一部分称工作物质 它是保证受激 而产生激光的物质 第二部分称泵浦手段 这是不断给产生激光的物质补充能量 第三部分 是振荡腔 通过腔的振荡不断放大 从而保证激光输出 人们给激光冠上神奇的称谓 那是因为它有独特的本领 方向性强 颜色纯 能量大等 因而 它的用途十分广泛 用激光来加工机械 削铁如泥 任何金属在激光面前都会迎刃而 解 用激光于通讯 携带信息量惊人 用之于电话 可使几十亿部电话同时通话 用之于电 视 可传播上千万套 用之于印刷 分辨率达每英寸 9000 个点 调制速率可达几十兆赫 用之于计算机 比电子开关快 1000 倍 尤其值得一提的是 激光还可以用来制造武器 比如 激光枪号称 20 世纪的无声枪 可使对方士兵双目失明 再如激光炮 它能量大命中率高 可轻易击毁敌方坦克 飞机 导 弹 甚至卫星 美国在白沙导弹试验场 用功率最大的默兰克尔激光炮对赫赫有名的大力神 式导弹发射 不到 2 秒钟 大力神导弹就折戟沉沙 激光炮的速度 达到惊人地步 每秒可 走 30 万公里 激光的发现能为人类造福 但也能给人类带来灾难 科学家的任务是 用其利 去其害 造福于子孙后代 1 1 什么是激光什么是激光 激光 一词在英文里是 LASER 是 Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation 的缩写 意为 受激发射的辐射光放大 1964 年按照我国著名 科学家钱学森建议将 光受激发射 改称 激光 激光 是一种崭新的光源 是由激光器产生的一种光 激光是 20 世纪以来 继原子能 计算机 半导体之后 人类的又一重大发明 激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背 景下应运而生的 它一问世 就获得了异乎寻常的飞快发展 激光的发展不仅使古老的光学 科学和光学技术获得了新生 而且导致整个一门新兴产业的出现 激光可使人们有效地利用 前所未有的先进方法和手段 去获得空前的效益和成果 从而促进了生产力的发展 那么 激光到底是什么呢 还是让我们来对此认识一番吧 激光虽带有 光 字 然而 它却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 激光是一种颜色最单纯的光 太阳光和电灯光看起来似乎是白色的 但当让它通 过一块三棱镜的时候 就可以看到红 橙 黄 绿 蓝 青 紫七种颜色的光 其实 还含 有我们看不见的红外光和紫外光 激光的颜色非常单纯 而且只向着一个方向发光 亮度极 高 用心 爱心 专心 第二 激光的方向性好 在发射方向的空间内光能量高度集中 所以激光的亮度比普通 光的亮度高千万倍 甚至亿万倍 而且 由于激光可以控制 使光能量不仅在空间上高度集 中 同时在时间上也高度集中 因而可以在一瞬间产生出巨大的光热 成为无坚不摧的强大 光束 平时 我们见到的灯光 都是向四面八方发光 就好像电影院散场后 大家前前后后 地向着四面八方以不同步伐走出来 打开室内的电灯 整个房间都照亮了 又如 打开手电 筒 在发出的部位 直径不过 3 5 厘米 待射到几米之外后 就扩展成一个很大的光圈 这说明 光在传播中发散了 然而 激光却不同 它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为 激光在传播中始终 像一条笔直的细线 发散的角度极小 一束激光射到 38 万千米外的月球上 光圈的直径充 其量只有 2 千米左右 就好比电影院散场后 大家排着队朝着一个方向 迈着相同大小的步 伐 随着 一 二 一 的口令 整整齐齐地前进 第三 激光亮度最高 太阳是人类共有的自然光源 整个世界沐浴在明亮的阳光之下 太阳表面的亮度比蜡烛大 30 万倍 比白炽灯大几百倍 激光的出现 更是光源亮度上的一 次惊人的飞跃 一台普通的激光器的输出亮度 比太阳表面的亮度大 10 亿倍 从地球照到月亮上在反 射回来也不成问题 可见激光是当今世界上高亮度的光源 第四 激光还可以具有很大的能量 用它可以容易地在钢板上打洞或切割 在工业生产 中 利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔 切割和焊接 在医学上 利用激光的高 能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术 在测绘方面 可以进行地球到月球之间距离的测 量和卫星大地测量 在军事领域 激光能量提高 可以制成摧毁敌机和导弹的光武器 2 2 激光器激光器 激光是在 1960 年正式问世的 但是 激光的历史却已有 100 多年 确切地说 远在 1893 年 在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出 两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠 光线随着两面镜子之间距离的变化而变化 他虽然不能解释这一点 但为未来发明激光发现 了一个极为重要的现象 1917 年爱因斯坦提出 受激辐射 的概念 奠定了激光的理论基础 1958 年美国科学家肖 洛和汤斯发现了一种奇怪的现象 当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时 晶 体的分子会发出鲜艳的 始终会聚在一起的强光 由此他们提出了 激光原理 受激辐射 可以得到一种单色性 亮度又很高的新型光源 1958 年 贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关 于激光器的经典论文 奠定了激光发展的基础 1960 年 美国人梅曼 T H Maiman 发明了 世界上第一台红宝石激光器 梅曼利用红宝石晶体做发光材料 用发光度很高的脉冲氙灯做 激发光源 获得了人类有史以来的第一束激光 1965 年 第一台可产生大功率激光的器件 二氧化碳激光器诞生 1967 年 第一台 射线激光器研制成功 1997 年 美国麻省理工学 院的研究人员研制出第一台原子激光器 激光器的种类很多 可分为固体 气体 液体 半导体和染料等五种类型 1 固体激光器一般小而坚固 脉冲辐射功率较高 应用范围较广泛 2 半导体激光器体积小 重量轻 寿命长 结构简单 特别适于在飞机 军舰 车辆和 宇宙飞船上使用 半导体激光器可以通过外加的电场 磁场 温度 压力等改变激光的波长 能将电能直接转换为激光能 所以发展迅速 3 气体激光器以气体为工作物质 单色性和相干性较好 激光波长可达数千种 应用广 泛 气体激光器结构简单 造价低廉 操作方便 在工农业 医学 精密测量 全息技术等 方应用广泛 气体激光器有电能 热能 化学能 光能 核能等多种激励方式 4 以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966 年问世 广泛应用于各种科学研究领域 现在已发现的能产生激光的染料 大约在 500 种左右 这些染料可以溶于酒精 苯 丙酮 用心 爱心 专心 水或其他溶液 它们还可以包含在有机塑料中以固态出现 或升华为蒸汽 以气态形式出现 所以染料激光器也称为 液体激光器 染料激光器的突出特点是波长连续可调 燃料激光 器种类繁多 价格低廉 效率高 输出功率可与气体和固体激光器相媲美 应用于分光光谱 光化学 医疗和农业 5 红外激光器已有多种类型 应用范围广泛 它是一种新型的红外辐射源 特点是辐射 强度高 单色性好 相干性好 方向性强 6 X 射线激光器在科研和军事上有重要价值 应用于激光反导弹武器中具有优势 生物学 家用 X 射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能 用 X 射线激光拍摄分子 结构的照片 所得到的生物分子像的对比度很高 7 化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子 就可以释放出大能量 可用来产生 激光作用 8 自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射 它的工作机制与 众不同 它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束 经周期磁场 形成不同能态的能级 产生受激辐射 世界第一台自由电子激光器于 1977 年问世 中国第一台自由电子激光器于 1985 年问世 自 由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的 其输出功率可达很高水 平 在加工 反导 雷达 通信 光化学等方面都有很大的用途 所以它一问世就受到各国 科技界的重视 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于 1992 年研制出当时世界上最小的固体激光器它 在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉 其直径只有 2 至 10 微米 在一个大头针 的针头上 可以装下 1 万个这样的新型半导体激光器 1990 年美国研制成功畸变量子阱激光 器 开关速度达 280 亿次 秒 这是激光器有史以来达到的最高速度 1992 年日本推出一种高输出半导体激光器 特点是服务寿命长 在室温下可连续工作 5000 小时 用心 爱心 专心 贝尔实验室的科学家研制了红宝石脉塞放大器 1877 年世界上第一台留声机在爱迪生的手上诞生了 它是声像技术发展的开端 人们并 不满足于唱机 20 世纪 40 年代初 德国研制出具有高频偏磁和良好机械传输性能的磁带录 音机 开拓出记录声音的新渠道 到 1955 年 美国无线电公司宣布实验成功磁带彩色录像 机 能把自己和大自然的形像记录下来 它揭开了声像技术史的新页 打开了现代声像技术 发展的大门和通路 3 年后 美国安皮克公司生产出商用彩色录像机 1970 年 英国德卡公 司研制出第一台黑白电视录像盘 两年后 荷兰菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色电视 录像盘 这就是现代激光光盘的诞生 激光光盘的诞生 激光在音响设备上的应用 是音响上的一次革命 人们利用激光 以 光针 代替钢针 宝石针 制成激光唱片 激光唱片不仅能够录音 而且能够录像 激 光唱片用来记录 存储声音和图像 可以说 这是声像技术上的一次革命 一个伟大的创举 自从激光光盘出现以来 人们充分挖掘它的潜力 创造多种功能的激光唱机和唱片 1983 年 美国和日本分别研制成崭新的数字录音唱片 这种唱片完全摆脱了传统唱片的制作 和重播方式 为唱片开辟了一个全新的境界 这种数字唱片 在存储技术等方面都有重要的 用途 激光光盘技术发展很快 各种功能 各种用途的新型唱机 唱片层出不穷 于是 激光 光盘和电子计算机技术 声像技术联手 踏入文献存储和检索的领域 信息存储在光盘上 快速检索 查阅和打印出所需要的资料 现在光盘书籍已进入家庭生活 用心 爱心 专心 2 逼真的照片 现代的全息照相 伴随着激光技术而获得新生和发展 为我们提供了一种捕捉景物一切 可见信息的途径 可以得到极其逼真的立体显示的全息照片 用全息照相方法所得到的照片 在适当的光照下 原来的景物就会再现在我们的面前 由于全息照片记录了景物光波的全部 信息 所以再现出来的景象和原来的一模一样 全息照片再现出来的景象是如此逼真 使人 产生身临其境之感 以致想走过去仔细看看 想伸出手去摸一摸 全息照片是真正的立体照 片 用全息照相方法所得到的照片 经得起 破坏性的打击 全息照片的每一部分 不论 有多大 都能再现出原来的整个景象 这就是说 可以将全息照片分成若干小块 每一小块 都可以完整地再现出原来的景象 因此 如果全息照片被打破了 撕碎了 或者在某个案件 中捕获到的是毁坏了的全息照片的残渣 总可以从一小块碎片重新复制出原样的照片来 3 激光医学 激光医学是激光技术的新领域 1960 年世界上第一台红宝石激光器问世后 1961 年即用 于疗视网膜脱落 1963 年激光光刀用于肿瘤切割 70 年代医用激光治疗机在临床各科得到 广泛应用 1981 年联合国卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支 激光以其特有的 优越性能解决了许多传统医学的难题 激光治疗最早用于眼科 对视网膜剥离眼底血管病变 虹膜切开 青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗 激光手术刀具有术中出血少 可减少 细菌感染等优点 激光与中医针灸术结合而形成的 光针 对镇痛 哮喘 遗尿 高血压 等有一定疗效 激光技术为现代医学提供了一种 神力 能够治疗内科 外科 眼科 皮 肤 肿瘤和耳鼻喉科的 100 多种疾病 激光己成为有益于人类的幸福之光 生命之光 4 光纤通信 光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的 这种透明细 长纤维传光现象很早就为希腊玻璃工人所发现 1870 年英国人廷德尔首先通过实验观察到光 沿弯曲水柱传播的现象 1929 年美国人哈塞尔制成石英纤维 但由于质量差 没能实际应用 50 年代美国人卡帕尼和荷兰人冯西尔首先制成玻璃芯 解决了光学绝缘的难题 激光器的问 世 纤维光学才真正得到飞速发展 1973 年第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成 光纤通信进入了实际应用 现在以光导纤维为传导介质的传感技术已在医学 物理学 化学 通信 纺织 航空航天 电气 汽车 自动化等几乎所有工程领域和基础实验科学领域得到 广泛使用 可视电话也是靠大容量的光纤通信系统实现的 在通话时 不但彼此能看到对方的音容 笑貌 还能相互展示手中的照片及其他东西 亲人遥隔千万里 就像相聚在一起一样 可视 电话还可以用于电话会议 医疗会诊 指挥生产等 光纤通信在有线广播电视方面也大有可为 利用光缆构成电视网 能够传送几百几千套 电视 使人们可以随意选择收看各种各样的电视节目 而且这种电视不受地形地物障碍的影 响 此外 还可以迅速及时地传送电视报纸 可以进行电视教学 用心 爱心 专心 5 艺术殿堂升光辉 卡拉 OK 音乐厅 镭射舞厅有一位极其重要的 配角 激光 运用激光手段 增添 信息 拓展时空 使丰富多采的节目更加令人回味无穷 可以说 艺术的成功 也与激光作 为 配角 是分不开的 最常用的是能够产生红绿蓝 3 色的离子激光器 目前 已出现独具特色的光子乐器 它和电子乐器相比也毫不逊色 激光光纤吉他 光 导纤维作为吉他的琴弦 通过光信号的变化 可以演奏出极其美妙的乐曲 激光竖琴 更是 别具一格 琴弦是由一台氪激光器和两台氩激光器产生的一排绚丽多采的竖直光束 琴师 拨奏 激光竖琴的 琴弦 有节律地遮断光束 启动琴中的光电传感器 于是便奏出 令人叫绝的乐曲 光子在音乐领域里的贡献远不止这些 从发展来看 光子乐器虽然是后起 之秀 却大有后来居上之势 激光不但是医生手中的手术刀 还是画家和雕刻家手中的光笔和雕刻刀 艺术家们利用 激光束这得心应手的画笔和刻刀 在各种纸板 木板 石板 玻璃板和金属板上进行绘画和 雕刻创作 可以借助于激光束的强度 聚焦和散焦的变化 创作出完美的独具风格和特色的 作品来 还可以借助于计算机辅助设计技术 对所创作的作品进行修改 此外 激光还可以 用修复名画 使已经黯然的画面恢复其青春的光彩 6 五谷丰登也靠它 人类要生存 第一需要是粮食 播下什么种子 就会有什么收获 现在 在农作物品种 改良和新品种培育方面 人们利用激 光处理种子 收到了明显的增产效果 人们通过对激 光育种的生物学研究 发现在特定激光辐照作用下 产生光物理 光化学和光生物学效应 就会出现 染色体 变异 于是导致遗传性状的改变 而产生出新的品 种 人们还用激光 适当地照射蚕豆 玉米 萝卜 黄瓜和西红柿的种子 加速种子发芽 提高种子出芽率 促 进农作物生长 使农作物早熟 抗病 增产 人们利用不同波长 不同剂量的激光进行试验 深入研究绿色植物光合作用的基本机理 深