物理（普通类）教学课件 03第六章 光现象及应用 第二节 激光的特性与应用 学习资料

课题第六章光现象及应用第二节激光的特性及应用2课时教学目标知识目标1.了解激光的产生机制；2.了解激光的主要特性；3.了解激光在生产和生活中的主要应用。能力目标1.通过对激光的产生机制的学习，能理解激光与自然光的不同；2.通过对激光的主要特性的学习，知道激光应用广泛的原因；3.通过对本节的学习，能够简述激光在生产和生活中的应用。情感目标1.通过对激光的学习，增强对科学是第一生产力的理解；2.通过对我国在激光技术方面成就的了解，增强民族自豪感。重点激光的主要特性；激光在生产和生活中的主要应用难点激光的产生机制教具多媒体展示系统主要教学过程学生活动教学过程设计一、引入课题用多媒体展示系统展示教材图6-15。提问：每当举办大型文艺晚会或庆典活动时，总会出现一些变幻莫测的图案，缤纷艳丽的色彩，将夜空妆点得五光十色，绚丽夺目，如图所示。你知道这些绚烂的图案是由什么构成的吗？（学生能回答出来：激光。）提问：大家知道激光是怎样产生的吗？它有哪些主要特性呢？（学生一般回答不上来。）引入课题：我们现在就来学习今天的课程——第二节激光的特性及应用。二、激光我们知道，原子是由原子核和绕核高速运动的电子组成的，核外电子所处的状态不同，导致整个原子的状态也不同。现代物理学认为，原子可能处于若干不同的状态，这些状态之间是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫作能级。普通光源的发光都是由于原子的自发辐射产生的。光源中处于高能级的原子自发地跃迁到低能级，同时放出一个光子，这种现象叫作自发辐射。由普通光源发出的光子状态是各不相同的，不仅波长不同，发射的方向也不同，即发出的光是杂乱无章的。激光则是由受激辐射产生的。当原子处于某一激发态时，如果恰好有能量适当的光子从附近通过，在入射光子的电磁场的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级去，这种现象叫作受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向、初相和偏振方向等，都跟入射光子完全一样。这样，一个入射光子由于引起受激辐射就变成了两个同样的光子。如果这两个光子在介质中传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强，这就是激光。能产生激光的装置，叫作激光器。1960年9月，美国物理学家梅曼制造出了世界上第一台红宝石激光器。1961年8月，我国也研制出了一台红宝石激光器。现在激光器的尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷。种类已达到几百种，例如气体激光器有氦-氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器又叫激光二极管，广泛应用在激光通信、激光存储、激光打印、激光测距等方面。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。三、激光的特性激光主要具有四个方面突出的特性：一是方向性好。太阳、电灯等几乎所有的普通光源都是向四面八方同时发光的，而激光则不同，它只向一个方向发光，其光束发散角非常小。如果将激光射向月球，其光束在月球上仅留下一个半径为2km的光斑，而用探照灯照射到月球上，其光斑会包括整个月球。在兴修水利、修建铁路和公路中，需要挖掘长距离隧道时，可以用激光来导向，沿着激光照射的方向进行施工，隧道打得又准又直。由于激光的方向性好，通过透镜聚焦，可生成极小的像，形成高度集中的能量。二是亮度高。激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万摄氏度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。三是单色性好。太阳光是复色光，可大致分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，它们其实由成千上万种不同波长的光组合而成。在自然界中几乎找不到波长纯粹的光，各种波长的光总是混杂在一起。激光却是一种理想的单色光源。拿氦-氖气体激光器来说，它射出的波长宽度不到10－10nm，完全可以视为单一的波长，是极纯的单色光。四是相干性好。只有频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。普通光源发出的光杂乱无章，不能发生干涉，不是相干光。激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。四、激光的应用由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了飞速发展，它使人们获得了空前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。目前激光几乎是无处不在，它已经被用在生活、生产的方方面面：激光通信、激光光盘、激光照排、激光手术、激光钻孔、激光切割、激光焊接、激光淬火等。激光通信是把声音、图像等信号调制到激光载波上，然后将激光通过光纤发送出去，在接收端通过解调和输出设备，将所传送的声音、图像信号再现出来。激光通信具有信息容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。用多媒体展示系统展示教材图6-16。激光光盘是利用激光记录和再现信息的一种新技术。光盘记录的信息是数字化的，即由“0”和“1”组成，在盘上分别以“凹点”和“平台”代表，这些凹点都是由激光刻制出来的。读取时，由光驱动器上的激光器将激光束射到盘片的数据道上，光束射到“凹点”和“平台”，反射光强弱不同，由传感器接收，再经解码等处理后由显示器显现出文字、图像和声音。与磁带相比，光盘具有更大的信息存储密度，因为激光聚集后光束直径可达微米量级，一张直径为12cm的普通DVD光盘可存储数十亿个文字信息。另外激光束读出信息是非接触式的，不会损伤记录介质，使用寿命长。用多媒体展示系统展示教材图6-17。激光照相排版是通过计算机把文字和图像变成点阵，然后控制激光扫描感光相纸，再经过显影和定影就形成照相底片，然后就可以用载着文字和图像的底片去印书报杂志了。激光照相排版比起普通照相排版要迅速、简便得多。由于激光的亮度高，颜色纯，可以大大改善图像的清晰度，印出来的书质量当然就高。如图所示为一台激光照排机。用多媒体展示系统展示教材图6-18。激光手术是用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光焊接脱落的视网膜。人的眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”，激光束可以从这里射入眼内。晶状体像透镜一样，把激光聚焦在视网膜上。焦点非常小，只有几十微米，和头发丝直径差不多，因此能量高度集中，温度可达1000多摄氏度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想。如图所示为医生正在做激光手术。用多媒体展示系统展示教材图6-19。激光钻孔是利用激光束聚焦使金属表面焦点温度迅速上升，温升可达每秒100万摄氏度，烧熔金属，直至气化，留下一个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且钻孔速度异常快，快到可以在10－3s，乃至10－6s内钻出小孔。激光钻孔还可用来加工手表钻石。它每秒钟可以钻20～30个孔，比机械加工效率高几百倍，而且质量高。因此，激光操作可以在自动连接加工，或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。知道激光钻孔的原理，就容易理解激光切割了。只要移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连成线，就自然将材料切割下来了。而且，不论是什么样的材料，如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等，激光都像一柄削铁如泥的光剑，而且，切割的边缘非常整洁、光滑。激光焊接是利用激光的高功率密度进行焊接的技术。所谓高功率密度，是指在每平方厘米面积上能集中极高的能量。激光不仅可以焊接一般的金属材料，还可以焊接又硬又脆的陶瓷。不小心打破碗碟，也用不着惋惜，使用激光焊接机就可以重新将破片焊好，甚至连疤痕也难以发现呢！激光淬火是用激光扫描刀具或零件中需要淬火的部分，使被扫描区域的温度升高，而未被扫描到的部位仍维持常温。由于金属散热快，激光束刚扫过，这部分的温度就急骤下降。降温越快，硬度也就越高。如果再对扫描过的部位喷射速冷剂，就能获得远比普通淬火要理想得多的硬度。激光特别适用于精密、微量加工，它已经成为精密机械加工工业上的一种重要加工设备。比如激光微形焊接，激光在微电阻上刻划调整阻值，在微电子工业中就是必不可少的。微电子工业上，要在1cm2面积的硅片上，制作几十个集成电路，每小块集成电路上还有几十个晶体管、电阻、电容和电感等元件。集成电路上每一个电阻，每一条引线宽只有100μm左右。要焊接引线，要调整电阻而又不损伤硅基片，只能求助于激光微焊机、激光电阻修整机。激光还可以用来测距离，测液体、气体的流速，测转速，测间隙，测细丝直径，测钢板厚度，测高电压、大电流，测微粒大小，测材料表面质量，测材料的化学成分等，真是不胜枚举。在本节引导语里的问题中，举办大型文艺晚会或庆典活动时，夜空中呈现出的变幻莫测的图案是由激光表演系统产生的，它利用计算机对激光进行控制，采用多种反射、折射和扫描技术，使激光变幻出色彩鲜艳的图案，产生旋转、翻滚、移动、拉伸、缩放等新、特、奇的效果。在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。学生观看学生思考并回答学生思考并回答板书板书板书板书板书这部分内容也可以做成动画，展示给学生看板书可以展示梅曼及第一台红宝石激光器的照片板书板书结合生活板书板书板书板书学生观看学生观看学生观看学生观看回应节前问题小结激光的特性及应用1．激光一个入射光子由于引起受激辐射就变成了两个同样的光子。如果这两个光子在介质中传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强，这就是激光。2．激光的特性激光主要具有四个方面突出的特性：亮度高、单色性好、方向性好、相干性好。3．激光的应用由于激光具有突出的特性，被用在生活、科研的方方面面：激光通信、激光光盘、激光照排、激光手术刀、激光钻孔、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光热处理等。回顾本节知识；体会思考方法；感受情感态度随堂练习练习6-21．答（1）激光的高亮度。在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳光亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。（2）激光的高方向性。激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。在传播中始终像一条笔直的线，不易发散，光强也可以保证。一束激光射出20千米远，光斑只有杯口那么大，就是发射到38万千米外的月球上，光圈的直径也不过2千米，在地球上看过去，只是一个明亮的红点。（3）激光的高单色性。光的单色性指光源发射的光波范围很小。如氦-氖激光器发出的激光频率为4.74×1014Hz，频带宽度仅有9×10－2Hz，而最好的普通单色光源氪灯的频带宽度约是激光的10万倍。（4）激光的高相干性。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间的干涉现象，所以激光是相干光。2．答激光素有神奇光之称。如今，你只要稍加留意，就会发现激光就在我们身边。激光唱机、激光影碟机悄然走进了千家万户，商场里商品贴的是激光防伪标志，激光照排则包揽了所有的报纸杂志。我们远隔千里就可