资源简介

11-7 激光及其应用 光的能量
一、教学目标
1．了解激光产生的原理
2．了解激光的特性
3．知道激光的应用
4．了解光能的利用
二、教学重点、难点
重点：激光的特性及应用
难点：激光产生的原理
三、教学器材
多媒体教学课件
四、教学建议
教法建议：启发交流、讲授、多媒体演示
教学设计方案：
（一）引入新课
激光是一种新型的光源，“激光”这个词对我们大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光。
激光技术已在科研、工程、医疗等许多领域广泛应用，我们通过本课学习，将会了解到激光产生的原理、激光的特性、知道激光的应用及发展。
（二）课程内容
1．激光及其应用
（1）激光产生的原理
激光也是一种光。它与普通光，如太阳光、灯光一样，也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同，它是物质“受激”而产生的光。1917年，爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时，得到一条结论：“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射，另一种叫受激辐射。”
各种各样的人造光源，例如电灯、日光灯等都属于自发辐射。各种自然现象所发射出来的光，也都属于自发辐射。自发辐射的光，其中包含各种颜色(频率)的光，而且光的方向、相位或者偏振态都各不相同。
激光则是原子受激辐射而发出的光，是一种新型的光源。它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同，普通光源的发光是以自发辐射为主，激光的发光则是以受激辐射为主。各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。
原子中的电子自发地从高能级向低能级跃迁时发光的过程称为自发辐射。
高能级的原子受到能量恰好等于的外来光子的激发时，辐射出一个与外来光子相同的光子并跃迁到低能级的发光过程称为受激辐射。
原子受激辐射出的光子与入射光子一起，能再引起其他原子受激辐射，这样光子1变2，2变4，4变8……成倍的增长，雪崩式的光放大形成浩浩荡荡的光子“兵团”。这些光子都有相同的特征：频率、传播方向、振动方向等完全相同。
我们把大量原子受激辐射时，所发出来的光称为激光。
（通过多媒体来了解受激辐射及光放大的过程）
图1 受激辐射 图2 光放大过程
一般情况下，处于低能级的原子数总是大于处于高能级的原子数。原子只有在基态时才处于稳定状态，而在激发态停留很短时间(约10-8 s)就会自发的跃迁至低能级，这时多余的能量便以光子的形式发射出去了，这就是“自发辐射”。要获得激光，就必须使分布在高能级上的原子数目大于低能级的原子数目，这种分布状态称为粒子数反转分布。只有实现了粒子数反转分布，才能使受激辐射的光放大胜过光吸收过程从而产生激光。
可以使粒子数反转分布的物质，有红宝石、二氧化碳等，用它们制成了以固体、气体和液体为工作物质的数百种激光器。
（2）激光的特性
激光具有能量集中、方向性好、单色性好和相干性好的特点。
能量集中 现在，激光器的脉冲功率可以达到1012 W以上；激光的亮度可以达到太阳表面亮度的1010倍；能在瞬间使局部达到几千万开的高温，能在几毫秒时间内使最难融化的物质熔化；能产生105 MPa的超高压和108 V/m的超强电场。
方向性好 普通的光源向四面八方发光，而激光束中光线的平行度极高，几乎是一束不发散的平行光。如果从地球向距离4×105 km的月球照射时，光斑直径不超过200 m。
单色性好 激光频率(波长)单一，十分接近理想的单色光。如氦-氖激光器发出的激光频率为4.74×1014 Hz，频带宽度仅有9×10-2 Hz。而最好的普通单色光源氪（86Kr）灯的频带宽度约是激光的10万倍。
相干性好 组成激光的光子的频率、振动方向、相位完全相同，可以直接发生干涉。
（3）激光的应用
1960年，美国研制成功世界上第一台红宝石激光器。我国也于1961年研制成功首台红宝石激光器。激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。40多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其已成为当今新技术革命的“带头技术”之一。
利用激光方向性好的特点，可用于定位、导向、测距、雷达和跟踪等。例如从地面向月球发出一束激光，测出它从发射到反射回发射点所经过的时间，就可算出发射点到月球被测点之间的距离()其测量精度可达±15 cm。激光雷达能够测定目标的方位、运动速度，甚至能描绘出目标的形状进行自动跟踪。激光雷达广泛应用在导航、天文、气象、军事和人造卫星、宇宙飞船等方面。用激光制导的地对空导弹，可用以拦截飞机和导弹。由于方向性好，激光可以会聚到很小的一点上。让激光照射到VCD机、CD唱机或计算机的光盘上，就可以读出光盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图象。
利用激光能量集中和单色性好的特点，可以把强大的激光束会聚起来照射到物体上，使物体的被照部分在不到0.001 s的时间内产生几千万开的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也会汽化。由于能量非常集中，因此激光束可用来打孔、焊接、切割。医学上用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤、清除结石，以及进行眼科手术。在军事上利用激光强大而又集中的能量，可制成各种激光武器：利用高能量激光束可以直接摧毁飞机和导弹的外壳；以激光为核心的致盲武器，可以使战斗人员丧失视力，也可以使传感器失去效能。在农业上用一定频率和强度的激光照射农作物种子或生物体，可以培养优良品种，改变遗传性状……
利用激光相干性好的特点，可用来进行全息照相。激光与音乐相结合，可形成彩色音乐，用它装饰舞台，点缀节目，可以达到光彩夺目、绚丽多姿的效果。
激光能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。光纤中传播的激光，频率可以达到1014 Hz数量级，而每路电话的频率范围只有4×103 Hz，每路电视的频率范围也只有10×107 Hz，所以，一根光纤就可容纳一百亿路电话或一百万路电视。
激光存储技术是一种全新的记录信息的光电子技术，用它制作的光盘，可以装进一个小型图书馆的全部资料。
用于热核聚变的激光可发射出时间间隔极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率可以达到1014 W，激光可产生108 ℃的高温，引发氘-氚燃料进行热核聚变。实现热核聚变是解决人类能源危机的途径之一,是各国科学家研究的前沿课题。激光对于人类究竟还能被发掘出多大贡献，正等待着我们去研究。我们相信，激光技术将会有更加辉煌的前景。
2．光的能量
我们知道，波是能量传播的一种方式。光是一种波，所以光的传播就是它所携带能量的传播。光在反射、折射以及与介质相互作用中仍遵守能量守恒定律。
（1）光强
光在垂直于传播方向上，每1 s通过1 m2面积的能量称为光强。
实验和理论都已证实，光强I与光振动振幅A的二次方成正比，即I∝A2。光强的SI单位是瓦特每平方米，符号是W/m2。
例题 在距小灯泡1 m处，其所发光的振幅和强度分别为A1和I1，不考虑空气对光的吸收，求在距灯泡r m处光的振幅和强度。
解 根据光强的定义，在t时间内通过包围光源的整个球面的能量为
于是
若r1=1 m r2=r m，则
（2）介质对光的吸收
除了真空以外，光通过其他任何介质时都会或多或少地被吸收，使光强减弱，光强减弱的程度与介质的类型及所穿过介质的厚度有关。
空气、纯水、无色玻璃等对可见光的吸收与光的波长无关，所以它们的吸收率为一常数，这称为一般吸收。
有些物质对某些波长的光吸收特别强烈，而对另一些波长的光吸收较弱，这种吸收称为选择吸收。
物体会呈现出各种颜色，都是因为其对光选择吸收的缘故。如果物体在白光照射下呈现出某种颜色(如蓝色)，就是因为它对白光中该颜色光的吸收很少，大多以漫反射的形式反射出去，使我们看到它呈现出这种颜色，而其他波长的光被强烈地吸收了。煤在阳光的照射下，看起来也是黑色的，这是因为它几乎吸收了所有波长的可见光。
（3）光能的利用
光作为物质存在的一种形式，在其传播过程中发生反射、折射或与介质等相互作用时，按照能量守恒定律，进行光能与其他形式的能量的转化。
光合作用 光合作用把光能转化为化学能，是大自然利用光能最生动的例子。绿色植物中的叶绿体内含有叶绿素，叶绿素吸收太阳光使叶绿体内的水分解为氢和氧。氧以气体的形式从气孔中排出，氢则与从气孔中吸收来的二氧化碳化合成碳水化合物，进而变成葡萄糖、脂肪和蛋白质。一般情况下，植物叶子能吸收照射光中红光能量的70％，其中大部分又变为热能散失，被用来进行光合作用的光能为10％左右。我们希望，将来能模仿植物的光合作用，在工厂利用太阳能直接生产粮食、蔬菜、水果……实现农产品的工业化生产。
光热转换 把太阳光的能量集中起来，发电或高温热处理等已得到广泛应用。我国地域辽阔、日照时间长，太阳能资源相当丰富，目前我国已有太阳灶一百多万台和和超过两亿平方米的太阳能热水器，大型太阳能发电站也正在研制之中。
光电转换 利用某些物质的光电效应，可以将光能转化为电能，太阳能电池就是把太阳光能直接变成电能的一种器件。目前用于太阳能电池的物质主要有硅、硫化镉、砷化镓及铜锢硒等。1 m2面积的硅太阳能电池块在阳光的照射下可以转换出100 W左右的电力。单晶硅太阳能电池的光电转换效率在15％左右，用于航天技术的硅太阳能电池可达25％。我们常说的太阳能空间发电站，实际上就是地球同步卫星式的太阳能电池。
（三）小结
1.受激辐射所发出来的光称为激光，激光具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中的特点。
2.光具有能量。光通过介质时，一部分光能被介质吸收，光强减小。光能可以通过光合作用、光热转换和光电转换等方式转化为其他形式的能量。
（四）作业布置
p.153 1、2、3 《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学说明
光的能量部分的例题可略去不讲，只定性描述。

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