第二節(jié)激光的特性與應(yīng)用

第二節(jié)激光的特性與應(yīng)用第1頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一

一、激光普通光源的發(fā)光都是由于原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生的。光源中處于高能級(jí)的原子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)光子，這種現(xiàn)象叫做自發(fā)輻射。由普通光源發(fā)出的光子狀態(tài)是各不相同的，不僅波長不同，發(fā)射的方向也不同，即發(fā)出的光是雜亂無章的。激光則是由受激輻射產(chǎn)生的。當(dāng)原子處于某一激發(fā)態(tài)時(shí)，如果恰好有能量適當(dāng)?shù)墓庾訌母浇ㄟ^，在入射光子的電磁場(chǎng)的影響下，原子會(huì)發(fā)出一個(gè)同樣的光子而躍遷到低能級(jí)去，這種現(xiàn)象叫做受激輻射。第2頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一能產(chǎn)生激光的裝置，叫做激光器。1960年9月，美國物理學(xué)家梅曼制造出了世界上第一臺(tái)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(tái)紅寶石激光器。原子發(fā)生受激輻射時(shí)，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)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(gè)入射光子由于引起受激輻射就變成了兩個(gè)同樣的光子。如果這兩個(gè)光子在介質(zhì)中傳播時(shí)再引起其他原子發(fā)生受激輻射，就會(huì)產(chǎn)生越來越多的相同的光子，使光得到加強(qiáng)，這就是激光?，F(xiàn)在，激光器的尺寸大至幾個(gè)足球場(chǎng)，小至一粒稻谷。種類已達(dá)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(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CD－

ROM里的那些。每一種激光器都有自己獨(dú)特的產(chǎn)生激光的方法。第3頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一

二、激光的特性一是亮度高。激光是現(xiàn)代最亮的光源，它可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量。如果把強(qiáng)大的激光束會(huì)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫，最難熔化的物質(zhì)在這一瞬間也要汽化了。二是單色性好。太陽光是復(fù)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(shí)發(fā)光的，而激光則不同，它只向一個(gè)方向發(fā)光，其光束發(fā)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(gè)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(gè)月球。四是相干性好。普通光源發(fā)出的光雜亂無章，不能發(fā)生干涉，不是相干光。激光是一種人工產(chǎn)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(jìn)行調(diào)制，用來傳遞信息。第4頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一由于激光具有突出的特性，因此自誕生以來，激光技術(shù)得到了飛速發(fā)展，它使人們獲得了空前的效益和成果，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。目前激光幾乎是無處不在，它已經(jīng)被用在生活、生產(chǎn)的方方面面：激光通信、激光光盤、激光照排、激光手術(shù)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(yīng)用激光通信是把激光作為信息載體實(shí)現(xiàn)通信的一種方式，可取代或補(bǔ)償目前的微波通信。它包括激光大氣傳輸通信、衛(wèi)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(qiáng)、可傳送距離遠(yuǎn)、設(shè)備輕便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。激光光盤是利用激光記錄和再現(xiàn)信息的一種新技術(shù)。與磁盤相比，光盤具有更大的信息存儲(chǔ)密度，因?yàn)榧す饩奂蠊馐睆娇蛇_(dá)微米量級(jí)。一張直徑為12cm的普通DVD光盤（如右圖所示）可存儲(chǔ)數(shù)十億個(gè)文字信息。另外激光束讀出信息是非接觸式的，不會(huì)損傷記錄介質(zhì)，使用壽命長。第5頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一激光照相排版是通過計(jì)算機(jī)把文字和圖像變成點(diǎn)陣，然后控制激光掃描感光相紙，再經(jīng)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(bào)、雜志了。激光照相排版比起普通照相排版要迅速、簡(jiǎn)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(zhì)量很高。下圖所示為一臺(tái)激光照排機(jī)。彩色電視機(jī)之所以能顯示紅、綠、藍(lán)三色，是由于熒屏上涂有三色熒光粉，它們?cè)陔娮幼矒粝聲?huì)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(yōu)美的彩色畫面來。第6頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一用激光可以焊接脫落的視網(wǎng)膜。人的眼睛很像照相機(jī)，瞳孔和瞳孔后的晶狀體是一個(gè)光線可以進(jìn)入的“窗口”，激光束可以從這里射入眼內(nèi)。晶狀體像透鏡一樣，把激光聚焦在視網(wǎng)膜上。焦點(diǎn)非常小，只有幾十微米，和頭發(fā)絲直徑差不多，因此能量高度集中，溫度可達(dá)1000多攝氏度，用它來做精確度很高的眼科手術(shù)非常理想。如右圖所示為醫(yī)生正在做激光手術(shù)。第7頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一激光鉆孔是利用激光束聚焦使金屬表面焦點(diǎn)溫度迅速上升，溫升可達(dá)每秒100萬攝氏度。當(dāng)熱量尚未發(fā)散之前，光束就燒熔金屬，直至汽化，留下一個(gè)個(gè)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?？?，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(gè)孔，比機(jī)械加工效率高幾百倍，而且質(zhì)量高。移動(dòng)工件或者移動(dòng)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(jī)正在切割鋼板。第8頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一激光焊接是利用激光的高功率密度進(jìn)行焊接的技術(shù)。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(jī)就可以重新將破片焊好，甚至連疤痕也難以發(fā)現(xiàn)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(qū)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(duì)掃描過的部位噴射速冷劑，就能獲得遠(yuǎn)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(jīng)成為精密機(jī)械加工工業(yè)上的一種重要加工設(shè)備。比如激光微形焊接，激光在微電阻上刻劃以便調(diào)整阻值，在微電子工業(yè)中就是必不可少的。激光還可以用來測(cè)距離，測(cè)液體、氣體的流速，測(cè)轉(zhuǎn)速，測(cè)間隙，測(cè)細(xì)絲直徑，測(cè)鋼板厚度，測(cè)高電壓、大電流，測(cè)微粒大小，測(cè)材料表面質(zhì)量，測(cè)材料的化學(xué)成分等，不勝枚舉。在不久的將來，激光會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。第9頁，共10頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)6-2

1．簡(jiǎn)述激光的主要特性。