第二節激光的特性與應用第1頁，課件共10頁，創作于2023年2月

一、激光普通光源的發光都是由于原子的自發輻射產生的。光源中處于高能級的原子自發地躍遷到低能級，同時放出一個光子，這種現象叫做自發輻射。由普通光源發出的光子狀態是各不相同的，不僅波長不同，發射的方向也不同，即發出的光是雜亂無章的。激光則是由受激輻射產生的。當原子處于某一激發態時，如果恰好有能量適當的光子從附近通過，在入射光子的電磁場的影響下，原子會發出一個同樣的光子而躍遷到低能級去，這種現象叫做受激輻射。第2頁，課件共10頁，創作于2023年2月能產生激光的裝置，叫做激光器。1960年9月，美國物理學家梅曼制造出了世界上第一臺紅寶石激光器，如下圖所示。1961年8月，我國也研制出了第一臺紅寶石激光器。原子發生受激輻射時，發出的光子的頻率、發射方向、初相和偏振方向等，都跟入射光子完全一樣。這樣，一個入射光子由于引起受激輻射就變成了兩個同樣的光子。如果這兩個光子在介質中傳播時再引起其他原子發生受激輻射，就會產生越來越多的相同的光子，使光得到加強，這就是激光。現在，激光器的尺寸大至幾個足球場，小至一粒稻谷。種類已達到幾百種，例如氣體激光器有氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導體激光器有激光二極管，像CD機、DVD機和CD－

ROM里的那些。每一種激光器都有自己獨特的產生激光的方法。第3頁，課件共10頁，創作于2023年2月

二、激光的特性一是亮度高。激光是現代最亮的光源，它可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量。如果把強大的激光束會聚起來照射到物體上，可以使物體的被照部分在不到千分之一秒的時間內產生幾千萬度的高溫，最難熔化的物質在這一瞬間也要汽化了。二是單色性好。太陽光是復色光，由成千上萬種不同波長的光組合而成。在自然界中幾乎找不到波長純粹的光，各種波長的光總是混雜在一起。激光卻是一種理想的單色光源。拿氦－氖氣體激光器來說，它射出的波長寬度不到10-10nm，完全可以視為單一的波長，是極純的單色光。三是方向性好。太陽、電燈、日光燈等幾乎所有的普通光源都是向四面八方同時發光的，而激光則不同，它只向一個方向發光，其光束發散角非常小。如果將激光射向月球，其光束在月球上僅留下一個半徑為兩千米的光斑，而用探照燈照射到月球上，其光斑可包括整個月球。四是相干性好。普通光源發出的光雜亂無章，不能發生干涉，不是相干光。激光是一種人工產生的頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光，具有高度的相干性，能像無線電波那樣進行調制，用來傳遞信息。第4頁，課件共10頁，創作于2023年2月由于激光具有突出的特性，因此自誕生以來，激光技術得到了飛速發展，它使人們獲得了空前的效益和成果，極大地促進了生產力的發展。目前激光幾乎是無處不在，它已經被用在生活、生產的方方面面：激光通信、激光光盤、激光照排、激光手術刀、激光鉆孔、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光熱處理等。三、激光的應用激光通信是把激光作為信息載體實現通信的一種方式，可取代或補償目前的微波通信。它包括激光大氣傳輸通信、衛星激光通信、光纖通信和水下激光通信等多種方式。激光通信具有信息容量大、傳送線路多、保密性強、可傳送距離遠、設備輕便、費用低廉等優點。激光光盤是利用激光記錄和再現信息的一種新技術。與磁盤相比，光盤具有更大的信息存儲密度，因為激光聚集后光束直徑可達微米量級。一張直徑為12cm的普通DVD光盤（如右圖所示）可存儲數十億個文字信息。另外激光束讀出信息是非接觸式的，不會損傷記錄介質，使用壽命長。第5頁，課件共10頁，創作于2023年2月激光照相排版是通過計算機把文字和圖像變成點陣，然后控制激光掃描感光相紙，再經過顯影和定影就形成照相底片，然后就可以用載著文字和圖像的底片去印書報、雜志了。激光照相排版比起普通照相排版要迅速、簡便得多。由于激光的亮度高、顏色純，可以大大改善圖像的清晰度，印出來的書質量很高。下圖所示為一臺激光照排機。彩色電視機之所以能顯示紅、綠、藍三色，是由于熒屏上涂有三色熒光粉，它們在電子撞擊下會顯出三種顏色。而激光排版也可以采用類似的原理，印刷出優美的彩色畫面來。第6頁，課件共10頁，創作于2023年2月用激光可以焊接脫落的視網膜。人的眼睛很像照相機，瞳孔和瞳孔后的晶狀體是一個光線可以進入的“窗口”，激光束可以從這里射入眼內。晶狀體像透鏡一樣，把激光聚焦在視網膜上。焦點非常小，只有幾十微米，和頭發絲直徑差不多，因此能量高度集中，溫度可達1000多攝氏度，用它來做精確度很高的眼科手術非常理想。如右圖所示為醫生正在做激光手術。第7頁，課件共10頁，創作于2023年2月激光鉆孔是利用激光束聚焦使金屬表面焦點溫度迅速上升，溫升可達每秒100萬攝氏度。當熱量尚未發散之前，光束就燒熔金屬，直至汽化，留下一個個小孔。激光鉆孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且鉆孔速度異常快，可以在10-6s～10-3s間鉆出小孔。激光鉆孔還可用來加工手表鉆石，每秒鐘可以鉆20～30個孔，比機械加工效率高幾百倍，而且質量高。移動工件或者移動激光束，使鉆出的孔洞連成線，即為激光切割。不論是什么樣的材料，如鋼板、鈦板、陶瓷、石英、橡膠、塑料、皮革、化纖、木材等，激光都像一柄削鐵如泥的光劍，而且，切割的邊緣非常光潔。下圖所示為激光切割機正在切割鋼板。第8頁，課件共10頁，創作于2023年2月激光焊接是利用激光的高功率密度進行焊接的技術。所謂高功率密度，是指在每平方厘米面積上能集中極高的能量。激光不僅可以焊接一般的金屬材料，還可以焊接又硬又脆的陶瓷。不小心打破碗碟，也用不著惋惜，只要用激光焊接機就可以重新將破片焊好，甚至連疤痕也難以發現呢！激光淬火是用激光掃描刀具或零件中需要淬火的部分，使被掃描區域的溫度升高，而未被掃描到的部位仍維持常溫。由于金屬散熱快，激光束剛掃過，這部分的溫度就急驟下降。降溫越快，硬度也就越高。如果再對掃描過的部位噴射速冷劑，就能獲得遠比普通淬火要理想得多的硬度。激光特別適用于精密、微量加工，它已經成為精密機械加工工業上的一種重要加工設備。比如激光微形焊接，激光在微電阻上刻劃以便調整阻值，在微電子工業中就是必不可少的。激光還可以用來測距離，測液體、氣體的流速，測轉速，測間隙，測細絲直徑，測鋼板厚度，測高電壓、大電流，測微粒大小，測材料表面質量，測材料的化學成分等，不勝枚舉。在不久的將來，激光會有更廣泛的應用。第9頁，課件共10頁，創作于2023年2月練習6-2

1．簡述激光的主要特性。