激光的特性与应用

物理（通用类）第二节激光的特性与应用一、激光二、激光的特性三、激光的应用物理（通用类）一、激光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，这种现象叫做自发辐射。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，这种现象叫做受激辐射。物理（通用类）能产生激光的装置，叫做激光器。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，如下图所示。1961年8月，我国也研制出了第一台红宝石激光器。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。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；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD－ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。物理（通用类）二、激光的特性一是亮度高。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度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。二是单色性好。太阳光是复色光，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。三是方向性好。太阳、电灯、日光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两千米的光斑，而用探照灯照射到月球上，其光斑可包括整个月球。四是相干性好。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频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光，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。物理（通用类）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、激光手术刀、激光钻孔、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光热处理等。三、激光的应用激光通信是把激光作为信息载体实现通信的一种方式，可取代或补偿目前的微波通信。它包括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式。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。激光光盘是利用激光记录和再现信息的一种新技术。与磁盘相比，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（如右图所示）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。物理（通用类）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，印出来的书质量很高。下图所示为一台激光照排机。彩色电视机之所以能显示红、绿、蓝三色，是由于荧屏上涂有三色荧光粉，它们在电子撞击下会显出三种颜色。而激光排版也可以采用类似的原理，印刷出优美的彩色画面来。物理（通用类）用激光可以焊接脱落的视网膜。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。如右图所示为医生正在做激光手术。物理（通用类）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。当热量尚未发散之前，光束就烧熔金属，直至汽化，留下一个个小孔。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，可以在10-6s～10-3s间钻出小孔。激光钻孔还可用来加工手表钻石，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。移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连成线，即为激光切割。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，切割的边缘非常光洁。下图所示为激光切割机正在切割钢板。物理（通用类）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，只要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以便调整阻值，在微电子工业中就是必不可少的。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，不胜枚举。在不久的将来，激光会有更广泛的应用。物理（通用类）练习6-21．简述激光的主要特性。答案：亮度高、单色性好、方向性好、相干性好。2．说说你了解的激光在生产、生活中的应用。答案：略。3．收集资料，了解激光技术在科技、军事中的应用。答案：略。