高中物理 第四章4.7 《激光》教案 粵教版選修3-4

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1、激光 【教學(xué)目的】 1、了解激光的特點(diǎn) 2、了解激光的應(yīng)用 【教學(xué)重點(diǎn)】 激光的應(yīng)用 【教學(xué)難點(diǎn)】 為什么激光具有特殊的性質(zhì) 【課時(shí)安排】 1課時(shí) 【教學(xué)過(guò)程】 ○、引入 從偏振的介紹我們發(fā)現(xiàn)，光波作為一種電磁波，比起機(jī)械橫波有它的復(fù)雜性。本節(jié)課，我們將介紹一種特殊的光波，以及它的應(yīng)用—— 一、激光 1、概念：激光準(zhǔn)確內(nèi)涵是“來(lái)自受激輻射的放大、增強(qiáng)的光”。由于它的英文全稱(chēng)為L(zhǎng)ight Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，可以被縮寫(xiě)為L(zhǎng)aser ，中文也常常音譯為“鐳射”。 2、產(chǎn)生機(jī)理： a、

2、設(shè)置工作物質(zhì)（發(fā)光物質(zhì)——可以是氣體、液體或固體）； b、泵浦——*能把大量的處于基態(tài)能級(jí)的電子激發(fā)到高能級(jí)上去的裝置。常見(jiàn)的泵浦有光源、化學(xué)能源（固體工作物質(zhì)多用光照射法，氣體工作物質(zhì)多用放電法）（補(bǔ)充能量）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——*屬于高能態(tài)的電子比屬于低能態(tài)的電子數(shù)多（所謂“反轉(zhuǎn)”，是因?yàn)檫@種狀況突破了“正?！钡牟６澛植家?guī)律）→受激輻射； c、諧振腔（內(nèi)連續(xù)來(lái)回反射、振蕩）誘發(fā)同性質(zhì)的躍遷→使同頻率、同相位的受激輻射得以放大。 3、激光的特點(diǎn)：a、單色性；b、方向性；c、相干性；d、高亮度（能量）。 4、發(fā)展大事記： a、1916年，愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”（和“自發(fā)輻射”對(duì)立）

3、理論； b、1928年，德國(guó)的光譜學(xué)家拉登堡（R.W.Ladenburg）發(fā)現(xiàn)“負(fù)色散現(xiàn)象”； c、1947年，蘭姆（W.E.Lamb ，jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）指出，通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以期望實(shí)現(xiàn)感應(yīng)輻射（即受激輻射）； d、1953年，美國(guó)的湯斯小組制成“微波激射器”； e、1958年，肖洛和湯斯的論文《紅外區(qū)和光學(xué)激射器》論證了將微波激射技術(shù)擴(kuò)展到紅外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)的可能性； f、1960年，美國(guó)的梅曼制成第一臺(tái)紅寶石激光器； g、1961年，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器在長(zhǎng)春光機(jī)所誕生。 5、激光器的分類(lèi)： a、氣體激光器（氦氖激光器、氬離子激光器、“隱形殺

4、手”二氧化碳激光器）； *氬離子激光器：它可以發(fā)出鮮艷的藍(lán)綠色光，可連續(xù)工作，輸出功率達(dá)100多瓦。因?yàn)槿搜蹖?duì)藍(lán)綠色的反應(yīng)很靈敏，眼底視網(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光，所以在眼科上用得最多。氬離子激光器發(fā)出的藍(lán)綠色激光還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用于水下勘測(cè)作業(yè)。 * “隱身”激光器：二氧化碳激光器可稱(chēng)“隱身人”，因?yàn)樗l(fā)出的激光波長(zhǎng)為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺(jué)察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產(chǎn)生的激光功率可達(dá)20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長(zhǎng)10.6微米激光也是最強(qiáng)大的一種激光。人們已用它來(lái)“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重

5、大進(jìn)展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。 b、液體、化學(xué)和半導(dǎo)體激光器（“變色龍”染料激光器、“死光”氟化氫激光器、砷化鎵激光器）； * “變色”激光器：工作物質(zhì)就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。氣體產(chǎn)生的激光有明確的波長(zhǎng)，而染料產(chǎn)生的激光，波長(zhǎng)范圍較廣，或者說(shuō)有多種色彩。染料激光器的光學(xué)諧振腔中裝有一個(gè)稱(chēng)為光柵的光學(xué)元件。通過(guò)它可以根據(jù)需要選擇激光的色彩，就像從收音機(jī)里選聽(tīng)不同頻率的無(wú)線電臺(tái)廣播一樣。這種激光器主要用于光譜學(xué)研究。 *化學(xué)激光器：是用化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生激光的，如氟原子和氫原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。當(dāng)兩種氣體迅速混合后，就能直接從化學(xué)反應(yīng)中

6、獲得很強(qiáng)大的光能。這類(lèi)激光器比較適合于野外工作，或用于軍事目的，令人畏懼的死光武器就是應(yīng)用化學(xué)激光器的一項(xiàng)成果。 c、固體激光器（紅寶石激光器、釔鋁石榴石激光器）。 二、激光的應(yīng)用 1、天文領(lǐng)域：激光望遠(yuǎn)鏡測(cè)天體距離。 *上海天文臺(tái)60厘米衛(wèi)星激光望遠(yuǎn)鏡：上海天文臺(tái)的第三代衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)建立于1986年，主要由60厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡、自濾波鎖模激光器、高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器和時(shí)頻系統(tǒng)等部分組成。由于采用了先進(jìn)的單光子雪崩二極管接收器，以及衛(wèi)星跟蹤和測(cè)量過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，使測(cè)量精度大大提高。目前這臺(tái)儀器可測(cè)量的最大距離是二萬(wàn)公里，精確度為1.5－2厘米。經(jīng)過(guò)多年努力，1998年上海天文

7、臺(tái)的SLR系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了白天激光測(cè)距，達(dá)到了世界先進(jìn)水平，從而不僅使觀測(cè)數(shù)量增加一倍，還能保證所有衛(wèi)星軌道都能取得觀測(cè)資料，對(duì)提高定軌精度及應(yīng)用研究極為重要。上海天文臺(tái)SLR站是中國(guó)SLR聯(lián)測(cè)網(wǎng)的負(fù)責(zé)單位，也是國(guó)家大科學(xué)工程“地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的重要觀測(cè)基地之一，同時(shí)與國(guó)外SLR站有著密切的合作關(guān)系，是國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)（ILRS）和西太平洋激光跟蹤網(wǎng)的重要組成單位。 2、工業(yè)材料的加工：激光雕刻、切割、焊接。 3、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：激光手術(shù)。 4、信息技術(shù)領(lǐng)域：a、信息傳輸（激光光纖）；b、信息存儲(chǔ)（激光刻錄CD 、DVD 、軟件）。 *激光在貯存信息方面有全息照相、光學(xué)計(jì)算機(jī)、光盤(pán)等

8、。以往的光學(xué)圖象只能記錄光的強(qiáng)度，利用激光既可以記錄光的強(qiáng)度又可以記錄光的相位，即可以記錄光的全部信息，因此稱(chēng)為全息照相。照出的圖象是立體的。利用激光的相干性，人們正在研究光學(xué)計(jì)算機(jī)。光學(xué)計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)相比，具有運(yùn)算速度快、信息容量大的優(yōu)點(diǎn)。它的信息處理過(guò)程接近于人眼和大腦的觀察與識(shí)別外界事物的過(guò)程。光盤(pán)即激光視盤(pán)，是利用激光貯存信息的“唱片”。它是由兩片透明塑料組成，塑料片上涂有一層反射膜。光盤(pán)的厚度約1毫米，直徑為20～30厘米，兩面都可使用。用光盤(pán)播放時(shí)，首先由半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制激光來(lái)掃描，得到以數(shù)字形式輸入的脈沖信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成電視信號(hào)傳給電視機(jī)。用光盤(pán)

9、播放的音像質(zhì)量高，使用壽命長(zhǎng)，而且光盤(pán)中記錄的每幅圖象都有編號(hào)，可以任意選取，非常方便。 5、軍事領(lǐng)域：a、激光制導(dǎo)炸彈；b、激光熱武器。 *激光武器分為激光制導(dǎo)炸彈和激光熱武器兩種。激光制導(dǎo)炸彈在攻擊目標(biāo)時(shí)，由目標(biāo)指示飛機(jī)發(fā)射激光，照射目標(biāo)，由運(yùn)載機(jī)投彈，制導(dǎo)炸彈（即導(dǎo)彈）則根據(jù)從目標(biāo)反射回來(lái)的激光飛向目標(biāo)。這種炸彈偏離目標(biāo)不大于10米，而普通炸彈則通常平均偏離目標(biāo)在100米左右。激光熱武器是利用激光的熱效應(yīng)來(lái)破壞目標(biāo)的。輕型的激光熱武器可稱(chēng)為激光槍?zhuān)捎脕?lái)殺傷人員，重型的稱(chēng)為激光炮，可燒毀裝甲車(chē)、飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等。激光熱武器的優(yōu)點(diǎn)是速度快，命中率高。缺點(diǎn)是不能大面積摧毀目標(biāo)。制造激光熱武器要求有大功率的激光器，目前有一些技術(shù)難題尚未完全解決，還處于研制階段。 三、小結(jié) 本節(jié)課，我們了解了一種特殊的光波，和它的一些相關(guān)應(yīng)用。介紹停留在常識(shí)的層面，對(duì)于深層次的知識(shí)，因?yàn)槠蜁r(shí)間的關(guān)系，沒(méi)有涉及。希望大家能夠通過(guò)中學(xué)階段的“拋磚引玉”引起對(duì)于前沿科技的興趣，進(jìn)而樹(shù)立起攀登科學(xué)高峰的信念。