第4节激光与全息照相思维激活在许多不同的领域和场合,你一定接触或听说过“激光”这一神奇之光,那么,激光到底是什么样的光,它为什么有这么大的用途?提示:激光技术的出现到现在不过五十年的时间,它的出现不仅使光学焕发新的青春和活力,而且对整个科学技术的发展起到了重大的促进作用.为什么激光有这么大的影响力?这和它的特殊性能是分不开的:异常高的亮度——这是激光与普通光源的最根本区别,其单色性好、方向性强而且便于控制.激光技术已经广泛地应用到通讯、军事、工农业生产、医疗卫生、生活娱乐等各方面.激光的用途很广,各国科学家正致力于这方面的研究,相信不远的将来,激光会有更大的用武之地.自主整理一、激光及其特性1.激光是___________________产生的光,是20世纪最重大的科学发现之一.2.激光的三大特点分别是:____________、____________、____________.二、激光的应用激光诞生后的最重大应用是____________,它是应用激光的____________来实现的,这是因为激光具有____________的特点,是很好的相干光源.高手笔记激光的特性及用途:(1)激光是原子受激辐射产生的光,频率相同,单色性好,是一种人工产生的相干光,具有高度的相干性.它能像无线电波那样进行调制,用来传递信息;记录和再现全息照相是通过激光来实现的.(2)激光的方向性强,也就是平行度非常好,可以用来精确地测距、用来刻制光盘及读出光盘上记录的信息.(3)激光的亮度高,可以用来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔.1.激光为什么是相干光?而普通灯泡发出的光不是相干光?剖析:激光是从物质的原子中发出来的,原子获得能量后,处于不稳定状态,它会以光子的形式把能量辐射出去.但是,普通光源——灯泡,灯丝中的每个原子在什么时刻发光,朝哪个方向发光,都是不确定的,发光的频率也不一样.这样的光在叠加时,一会儿在空间的某点加强,一会儿又在这点削弱,不能形成稳定的亮区和暗区,所以不能发生干涉,因而是非相干光.激光的光源原子发生受激辐射时,发出的光子的频率、发射方向,都跟入射光子完全一样.能产生稳定的干涉图样,是相干光.2.激光有哪些方面的应用?剖析:(1)利用单色性、相干性:拍频技术(可精密测定各种移动、转动和振动速度)、激光地震仪、精密导航、光纤通信、全息照片、工业探伤、激光全息摄影等. (2)利用方向性强、亮度高:测距、激光雷达、读取VCD机、CD唱机和计算机的光盘、切割金属、打孔、医学上切除肿瘤等.(3)利用亮度高:军事上的激光炮弹、医疗上的激光手术等.讲练互动【例题1】下列说法正确的是（）A.两支铅笔靠在一起,自然光从笔缝中通过后就成了偏振光B.偏振光可以是横波,也可以是纵波C.因为激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象D.激光可以像刀子一样切除肿瘤解析：两支普通铅笔靠在一起,中间的缝远远地大于光的波长,因此,光从中通过时不会成为偏振光;光是横波,偏振光也是横波;激光也是光,因此激光就具有光波的特性,能够发生衍射现象;激光有很多用途,其中可用来做手术,切除肿瘤.答案：D绿色通道激光是一种特殊的光,光的一切规律都可以直接应用于激光.1.下列应用激光的事例中错误的是（ ）A.利用激光进行长距离精确测量B.利用激光进行通信C.利用激光进行室内照明D.利用激光加工坚硬材料解析:激光的单向性好,不利于室内照明,并且大功率的激光要靠专门的激光器产生,成本太高,且由于激光的能量集中,会对人体产生伤害,因此选项C 所述应用是错误的.其他三个选项的应用都很好地应用了激光的方向性强、单色性好、亮度高的特性. 答案:C【例题2】一台激光器,它的功率为P,如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ,则这束单色光的频率是__________,它在时间t 内辐射的光能为____________,如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v,那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为_________.解析：根据v=λf 可得这束单色光的频率f=c/v;激光器的时间t 内所做的功W=Pt 转化为光能;这束单色光对该介质的折射率n=c/v,设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C,则sinC=1/n=v/c,所以C=arcsin(v/c). 答案：c Pt arcsin(v/c) 绿色通道这道题虽以激光为命题背景,但解题的根据仍然是前面所学过的光学规律. 变式训练2.一束激光从空气射入玻璃中,则其（ ）A.频率不变,波长变长B.频率变大,波长不变C.频率不变,波长变短D.频率变小,波长不变解析:激光的单色性好,其频率由光源决定,与介质无关,从空气射入玻璃后,波速减小,根据λ=v/f,知波长应变短,故选C.答案:C教材链接【讨论与交流】(课本第110页)请根据自己平时对激光的了解,说说你身边熟悉的激光应用,并试着说说什么是激光,激光有哪些特性.答:激光(laser)是一种特殊的光,自然界中的发光体不能发出激光.1960年,人类在实验室里首次发射出了激光.激光具有以下几个特点:(1)激光是人工产生的相干光,其单色性好,相干性好.激光的频率比较单一,相干性非常好,颜色特别纯.用激光做衍射、干涉实验,效果很好.(2)激光束的方向性强.从激光器发出的激光具有极好的平行性,几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光.传播几千米后,激光斑扩展范围不过几厘米,而探照灯的光束将扩展到几十米范围.(3)亮度高.激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.激光的应用,主要有以下几类:(1)光纤通信激光可以像无线电波那样进行调制,可用来传播信息,而且因为它的频率比无线电波高,所以激光携带的信息量比无线电波大.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.(2)激光测距因为激光的平行度好,所以传播很远的距离仍能保持一定的强度,利用这一特点,对准目标发射一个激光脉冲,测量脉冲发射和接收到反射回的脉冲的时间间隔Δt,可精确测量出距离s=21c·Δt.激光雷达就是根据这一原理制成的. (3)激光写、读由于激光的平行度好,激光可以会聚到一个很小的点上,利用激光可以在光盘上刻录密度很高的信息,也可以利用激光从VCD 机、CD 唱机或计算机的光盘上读出记录的信息,经过处理后还原成声音或图像.(4)激光加工将激光器发出的激光经光学系统聚焦后,在待加工的工件上形成密度很高、能量很大、直径很小的光斑,使受照部位迅速熔化或汽化,以完成特定要求的加工,包括切割、焊接、打孔、划片、整形、热处理和表面处理等.(5)激光手术(亦称光刀手术)利用激光器发射的激光作为手术刀进行切割、汽化等外科手术.激光手术有以下优点:①对凝固血管很有效,使不流血手术得以实现;②手术切缘锐利、平整;③由于激光手术是非接触手术,对于一些操作困难的部位实施手术尤为方便;④切割恶性肿瘤时,因激光能随时封闭毛细血管和淋巴液通道,有助于防止肿瘤细胞的扩散和转移.除激光手术外,在医疗上还可以进行激光治疗.(6)激光武器利用大能量激光器发射的激光束来攻击敌方,使被照射处形成能量、密度很高的光斑,被照射物体表面迅速熔化或汽化.激光武器具有很强的攻击力,常被称作“死光”.激光以3×108 m/s的高速出击,只要对准目标,即可命中.在射击快速运动目标时无需考虑提前量,因此特别适合用来防御快速侵袭的低空飞机、导弹以及拦截军事卫星等.而且激光发射器发射激光时反作用力很小,即使在高速飞行的飞机上使用,也几乎不影响命中率.(7)可控聚变反应中的应用科学家设想把核燃料制成小颗粒,用激光从四面八方对它进行照射,利用强激光产生的高压引起聚变,从而实现可控聚变反应.(8)全息照相全息照片的拍摄利用了光的干涉原理,要求参考光和物光具有很高的相干性,激光恰好具备这一特点.。
