激光教案.doc

(完整word)激光教案激光教案激光技术是二十世纪六十年代初发展起来的一门新技术.它的出现不仅是光学焕发出新的活力,而且，对于整个科技领域来说，也起到了重大的推动作用。本节课，我们就来学习有关激光的基本知识.133 激光像所有的高新技术一样,激光一问世就首先被应用于军事领域。下面，通过一段录像来了解一下激光在军事上的应用.激光除了在军事上的应用十分广泛，其实，激光在工业、农业、医疗以及我们的日常生活中都有许多的应用。为什么激光会有如此广泛的应用呢？这是由于激光自身的特性所决定的。一、 激光的特性激光的特性主要表现为四个方面：首先，激光的方向性好，（一）方向性好所谓方向性是指光束在传播过程中的发散程度。光束的发散角越小，他的方向性就越好，对于普通光源，比如常见的日光灯，白炽灯，它们的方向性就不好,向四周漫射，可以照亮房间的各个角落.而激光就不一样，它只朝一个方向发射，并且发散角很小，几乎就是一束平行的光，所以方向性好，可以照射远处的物体。我们从地球上发射激光束，可以照亮月球表面，由于发散角小，形成的光斑就小，普通光源做不到这一点。即使有功率极强的探照灯，能达到月球上，形成的光斑将覆盖整个月球表面。由此可见，激光的方向性要比普通光源好得多.因为激光的发散角小,到达接收端的光斑就小,光斑以外接收不到任何的信号，所以激光保密性好,抗干扰的能力很强,可广泛应用于远程通信，尤其是卫星通信.激光的第二个特性就是亮度高(二)亮度高前面讲方向性时说了，激光发散角很小，因为发散角小,激光的能量就是高度集中,所以亮度很高,激光的亮度能达到太阳光亮度的几百亿倍，我们都知道,用透镜把阳光聚焦,可点燃火柴和纸片，如果把这种高能量的激光用透镜聚焦，可想而知，产生的威力会非常的大.在直径百分之几毫米的范围内,可产生几百万高温压强电场。在这种情况下，任何物质都会化为灰烬。因而常利用激光对金属进行切割,也可以用它在金属上打孔或对金属进行焊接等等这样的精密加工。在军事上，利用激光可以制成激光枪、激光炮等激光武器。激光的第三个特性就是单色性好。（三）单色性好前面已经学过，光是一种电磁波，对于常见的自然光，既白光来说，它是由红橙黄绿青蓝紫多种颜色组成，每一种颜色的光都对应一定范围的波长，而激光只有一种颜色，且对应的波长范围非常小。我们可以把激光同普通光源中单色性最好的氪灯来进行一下比较,氪灯的波长范围 ，而普通的He-Ne激光器产生的激光的波长范围 ，一个是104，一个是109，从这里可以看出，激光的波长范围只有氪灯的二十万分之一，可见激光的单色性要远优于普通光源。因为激光的波长范围小，利用激光作为测量工具进行精密测量时，测量精度很高，例如,用激光测量地球到月球的距离,误差只有5厘米。可见，测量精度之高.除了以上三个特性之外,激光还具有相干性好的特性(四）相干性好什么是相干性呢?请看投影：点光源S1、S2发出的光束。相干性是指两束同频率、同方向、同相位的光在相遇时，会在光屏上形成明暗相间的干涉条纹。因为激光的单色性很好，满足相干光束的一切条件，所以它的相干性也相当的好。因为相干性好，形成的干涉图样身份清晰，常利用激光进行全息照相。全息照相就是把所拍摄的物体反射出来的不同方向的光形成的干涉图样叠加在一起，在一张底片上曝光，因记录下物体所有的信息，所以得到的是一个立体的像，不像普通照相，只能得到平面的像。上面介绍了激光的四大特性，正是由于激光具有这么多的优点，所以才决定它一问世就被广泛的应用于各个领域.那激光究竟是如何形成的呢？二、激光的形成激光实际上是一种生成光，是我们人为制造出来的,在自然界中并不存在，谈到激光的形成，就要从前面学过的原子能级跃迁说起.这就是物质的原子能级图，原子能级图真实的反映了原子能级的高低，能级越高.能量就越高，能级月底，能量就越低。如果高能级的原子向低能级跃迁，就必须释放能量，如果低能级原子向高能级跃迁，就必须吸收能量。在自然状态下，原子总是处于低能级状态，因为能级越低，能量越低，原子就越稳定，所以原子总是尽量处于低能级的稳定状态。但是，当有外来光子照射到低能级原子时，原子就可能吸收光子，能量跃迁到高能级去,这就是原子的受激吸收。（一)受激吸收吸收光子 E1 E2解释：它是低能级原子吸收光子跃迁到高能级的过程。原子吸收光子能量跃迁到高能级,但是处于高能级的原子并不稳定，就好像放在台阶边缘的小球随时可能滚到台阶下面一样不稳定，它随时都可能自发的返回到低能级，在返回的过程中释放出一个能量为E2E1的光子，我们把这种高能级原子自发的返回低能级，同时释放出光子的过程成为自发辐射。(二）自发辐射自发 释放 E2 E1 光子它是高能级原子自发的跃迁到低能级,并释放光子的过程，释放光子其实就是把能量辐射出去，所以叫自发辐射.在自发辐射过程中，每个原子的自发辐射都是各自独立的，自发的进行，因而产生的光子在频率、方向、相位等方面各不相同.辐射的光子在整体上看就是随机的，杂乱无章的向四周漫射。普通光源就是自发辐射光。显然,这样的光是无法满足激光的这些特性的。这个问题如何去解决呢？科学家们通过研究发现，受激辐射产生的光就是具有这些特点。那什么是受激辐射呢？（三）受激辐射光放大如果处于高能级的原子在发生自发辐射之前，受到了外来光子的刺激,它更能从高能级向低能级跃迁，并且向外释放出一个相同能量的光子。我们把这种由于外来光子的刺激而从高能级向低能级跃迁，并且辐射光子的过程成为受激辐射。受激 释放 E2 E1 光子这里恐怕会有人产生这样的疑问，自发辐射和受激辐射都是辐射光子的过程,它们到底有什么不同？还是打这样的比方,这些高能级的原子就好像是放在台阶边缘的一系列小球,这些小球可以自己随意的滚落,自发辐射就像是这样，因而产生了光子杂乱无章，没有规律。无序。当然，我们也可以对这些小球施加一定的作用，让他们有规则的滚落下去.受激辐射就像是这样，因而产生的光子具有规则，有规律的.有序。并且辐射出来的光子与刺激他的光子是同频率、同相位、同方向的光子,特征完全相同，它就是具有了激光这些优点.所以只有受激辐射才能产生激光，自发辐射是不能产生激光的。在受激辐射过程中，一个外来光子引发受激辐射增加为两个，这两光子会继续的引发受激辐射,增加为四个光子，四个在增加为八个,这样一直下去。由此可见，在一个入射光子的作用下,可获得大量的光子，这实际上就是一个光的放大过程,称之为光放大。光放大过程出来的就是一束激光。到这里，我们可以回答出到底什么是激光，它实际上就是受激辐射放大产生的光,因而,简称激光。只要实现受激辐射光放大,就可以获得激光，但一般情况下无法实现受激辐射光放大，也就是说它需要一定的条件：理论证明，在两个能级之间,受激辐射跃迁和受激吸收跃迁具有相同的概率，并且它们是同时进行的但过程相反。它们都是受激的过程，要受到外来光子的作用,只不过受激辐射是高 低跃迁辐射光的过程，而受激吸收是低 高，吸收光子的过程。并且在这两个能级之间,粒子的分布总是遵从玻耳兹曼分布，也就是说，当温度一定时,低能级粒子数总高于高能级粒子数。在这样两个因素的影响下，当有外来光子入射时,受激吸收总会强于受激辐射,即吸收能量的过程总强于辐射能量的过程,所以无法实现受激辐射光放大。要获得激光,就必须改变这种状态，是受激辐射占主导地位。要使受激辐射占主导地位，就必须改变能级间的粒子分布，使高能级的粒子尽可能地多于低能级的粒子，把这种特殊的分布成为粒子数反转。1、粒子数反转要实现粒子数反转，就必须吸收外界的能量是低能级的原子反转到高能级去。这个过程与我们用水泵把水从低处抽到高处十分类似，因而又形象的称之为光泵（激励）.激励的方法有很多:光激励、电激励、化学激励、核激励等等。总而言之，粒子数反转就是通过激励实现了粒子数反转就为受激辐射光放大做好了充分的准备.但这里还有一个问题需要去解决，那就是入射光子的问题。要受激辐射就必须有入射光子的刺激。而用来引发受激辐射的入射光子实际上是由自发辐射产生的。它是这种杂乱无章的光子在以这样的光子作为受激源引发受激辐射，得到的受激辐射光放大也必然是杂乱无章的。为解决这个问题，科学家们设计出了一种新的装置-光学谐振腔。2、光学谐振腔光学谐振腔的提出就是使入射光子有序,从而得到有序的受激辐射光放大。在实现了粒子数反转的工作物质的两端安装两面平行的反射镜，一面全反射,一面部分反射，在这两面反射镜之间就构成了光学谐振腔.那入射光子在光学谐振腔中是如何运动的？那些偏离谐振腔轴向的光子会溢出谐振腔外被淘汰掉，腔中只剩下沿轴向运动的光子，它会不断的引发受激辐射.产生的光子会受到两面反射镜的反射来回往返形成振荡,多磁振荡后从部分反射镜输出的就是一束激光。好，到这，激光的一个完整的形成过程就介绍完了。在前面说过，激光是一种生成光，它都是由激光器生成的。下面，简单的介绍一下激光器的知识。根据工作物质的不同，激光器主要分为气体、液体、固体。这是几种常见的激光器。这里主要介绍实验中常用的He-Ne激光器。这就是一台HeNe激光器,它的内部主要有激励电源和激光管两大部分构成。具体的构造请看投影，这是激励电源，这是激光管，它实际上就是前面说的光学谐振腔。它的外壳用玻璃制成，这两端是两面反射镜。.。.激光管在抽过真空以后，充入了稀薄的He-Ne气体, He-Ne气体就是所说的谐振腔中的工作物质。管的中央有一个金属丝，与电源正极相连，在另一侧有一个铝套，与电源负极相连。它是如何工作的呢?接通电源后，通过正、负极在这两端施加一个千伏以上的高压，促试管内的气体电离,电离产生的电子会碰撞低能级的原子，使它们反转到高能级去，从而实现粒子数反转。高能级的原子只要有一个发生自发辐射，就可获得一个光子，它会不断的引发受激辐射，形成光放大,多次谐振后从部分反射镜输出一束激光.下面，我们来看看实际的He-Ne激光器打出的激光,请大家注意演示，现在接通电源，很快打出一束激光，在墙上可以看见一个清晰的红色光斑，如果是在暗室里，大家还可以看到一个明显的光束。有兴趣来看一看。（关电源）因为是实验用,为安全起见,He-Ne激光器的功率很低,但一般用于别的场合的激光器都是大功率的激光，安全起见，切记不可对人。演示做完了,我们回过头来把今天的内容小结以下。这节课，我们主要学习了激光的概念，它实际上就是在光学谐振腔中实现了粒子数反转的工作物质的原子的受激辐射光放大，从激光的形成原理可以看出为什么激光会具有这么多的优点。这节课就上到这，下课。