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激光 【教學目的】 1、了解激光的特點 2、了解激光的應用 【教學重點】 激光的應用 【教學難點】 為什么激光具有特殊的性質 【課時安排】 1課時 【教學過程】 2019-2020年高中物理 第四章4.7 《激光》教案 粵教版選修3-4 從偏振的介紹我們發(fā)現(xiàn)，光波作為一種電磁波，比起機械橫波有它的復雜性。本節(jié)課，我們將介紹一種特殊的光波，以及它的應用—— 一、激光 1、概念：激光準確內涵是“來自受激輻射的放大、增強的光”。由于它的英文全稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，可以被縮寫為Laser ，中文也常常音譯為“鐳射”。 2、產生機理： a、設置工作物質（發(fā)光物質——可以是氣體、液體或固體）； b、泵浦——*能把大量的處于基態(tài)能級的電子激發(fā)到高能級上去的裝置。常見的泵浦有光源、化學能源（固體工作物質多用光照射法，氣體工作物質多用放電法）（補充能量）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉——*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”，是因為這種狀況突破了“正?！钡牟６澛植家?guī)律）→受激輻射； c、諧振腔（內連續(xù)來回反射、振蕩）誘發(fā)同性質的躍遷→使同頻率、同相位的受激輻射得以放大。 3、激光的特點：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，愛因斯坦提出“受激輻射”（和“自發(fā)輻射”對立）理論； b、1928年，德國的光譜學家拉登堡（R.W.Ladenburg）發(fā)現(xiàn)“負色散現(xiàn)象”； c、1947年，蘭姆（W.E.Lamb ，jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）指出，通過粒子數(shù)反轉可以期望實現(xiàn)感應輻射（即受激輻射）； d、1953年，美國的湯斯小組制成“微波激射器”； e、1958年，肖洛和湯斯的論文《紅外區(qū)和光學激射器》論證了將微波激射技術擴展到紅外區(qū)和可見光區(qū)的可能性； f、1960年，美國的梅曼制成第一臺紅寶石激光器； g、1961年，我國第一臺紅寶石激光器在長春光機所誕生。 5、激光器的分類： a、氣體激光器（氦氖激光器、氬離子激光器、“隱形殺手”二氧化碳激光器）； *氬離子激光器：它可以發(fā)出鮮艷的藍綠色光，可連續(xù)工作，輸出功率達100多瓦。因為人眼對藍綠色的反應很靈敏，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作業(yè)。 * “隱身”激光器：二氧化碳激光器可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“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)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。 b、液體、化學和半導體激光器（“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：工作物質就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。氣體產生的激光有明確的波長，而染料產生的激光，波長范圍較廣，或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光柵的光學元件。通過它可以根據(jù)需要選擇激光的色彩，就像從收音機里選聽不同頻率的無線電臺廣播一樣。這種激光器主要用于光譜學研究。 *化學激光器：是用化學反應來產生激光的，如氟原子和氫原子發(fā)生化學反應時，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。當兩種氣體迅速混合后，就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類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用化學激光器的一項成果。 c、固體激光器（紅寶石激光器、釔鋁石榴石激光器）。 二、激光的應用 1、天文領域：激光望遠鏡測天體距離。 *上海天文臺60厘米衛(wèi)星激光望遠鏡：上海天文臺的第三代衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)建立于1986年，主要由60厘米口徑的望遠鏡、自濾波鎖模激光器、高精度時間間隔計數(shù)器和時頻系統(tǒng)等部分組成。由于采用了先進的單光子雪崩二極管接收器，以及衛(wèi)星跟蹤和測量過程由計算機自動控制，使測量精度大大提高。目前這臺儀器可測量的最大距離是二萬公里，精確度為1.5－2厘米。經過多年努力，xx年上海天文臺的SLR系統(tǒng)在國內第一個實現(xiàn)了白天激光測距，達到了世界先進水平，從而不僅使觀測數(shù)量增加一倍，還能保證所有衛(wèi)星軌道都能取得觀測資料，對提高定軌精度及應用研究極為重要。上海天文臺SLR站是中國SLR聯(lián)測網(wǎng)的負責單位，也是國家大科學工程“地殼運動觀測網(wǎng)絡”的重要觀測基地之一，同時與國外SLR站有著密切的合作關系，是國際激光測距服務（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)學領域：激光手術。 4、信息技術領域：a、信息傳輸（激光光纖）；b、信息存儲（激光刻錄CD 、DVD 、軟件）。 *激光在貯存信息方面有全息照相、光學計算機、光盤等。以往的光學圖象只能記錄光的強度，利用激光既可以記錄光的強度又可以記錄光的相位，即可以記錄光的全部信息，因此稱為全息照相。照出的圖象是立體的。利用激光的相干性，人們正在研究光學計算機。光學計算機與電子計算機相比，具有運算速度快、信息容量大的優(yōu)點。它的信息處理過程接近于人眼和大腦的觀察與識別外界事物的過程。光盤即激光視盤，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。光盤的厚度約1毫米，直徑為20～30厘米，兩面都可使用。用光盤播放時，首先由半導體激光器發(fā)出激光，一臺小型計算機控制激光來掃描，得到以數(shù)字形式輸入的脈沖信號，再由計算機轉換成電視信號傳給電視機。用光盤播放的音像質量高，使用壽命長，而且光盤中記錄的每幅圖象都有編號，可以任意選取，非常方便。 5、軍事領域：a、激光制導炸彈；b、激光熱武器。 *激光武器分為激光制導炸彈和激光熱武器兩種。激光制導炸彈在攻擊目標時，由目標指示飛機發(fā)射激光，照射目標，由運載機投彈，制導炸彈（即導彈）則根據(jù)從目標反射回來的激光飛向目標。這種炸彈偏離目標不大于10米，而普通炸彈則通常平均偏離目標在100米左右。激光熱武器是利用激光的熱效應來破壞目標的。輕型的激光熱武器可稱為激光槍，可用來殺傷人員，重型的稱為激光炮，可燒毀裝甲車、飛機、導彈和衛(wèi)星等。激光熱武器的優(yōu)點是速度快，命中率高。缺點是不能大面積摧毀目標。制造激光熱武器要求有大功率的激光器，目前有一些技術難題尚未完全解決，還處于研制階段。 三、小結 本節(jié)課，我們了解了一種特殊的光波，和它的一些相關應用。介紹停留在常識的層面，對于深層次的知識，因為篇幅和時間的關系，沒有涉及。希望大家能夠通過中學階段的“拋磚引玉”引起對于前沿科技的興趣，進而樹立起攀登科學高峰的信念。