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1、第十三章8激光1958年，人類在實驗室里激發(fā)出了一種自然界中沒有的光，那就是激光（laser）。半個世紀以來，激光已經(jīng)深入我們生活的各個方面。打長途電話、看DVD、醫(yī)院里做手術(shù)、煤礦里挖掘坑道……都用得著激光。激光到底是什么樣的光，它為什么有這么大的用途？激光的特點及其應(yīng)用光是從物質(zhì)的原子中發(fā)射出來的。原子獲得能量以后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它會以光的形式把能量發(fā)射出去。但是，普通的光源，例如白熾燈，燈絲中某個原子在什么時刻發(fā)光、在哪個方向偏振，完全是隨機的，發(fā)光的頻率也不一定相同。因此，兩個獨立的普通光源發(fā)出的光在疊加時，一會兒在空間的某點相
2、互加強，一會兒又在這點相互削弱，不能形成穩(wěn)定的亮區(qū)和暗區(qū)，不會發(fā)生干涉。這樣的光是非相干光。只有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光才是相干光。激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性，這是它的第一個特點。由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調(diào)制，用來傳遞信息。光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物。信息論的理論告訴我們，電磁波的頻率越高，它所能攜帶的信息量越大，所以激光可以比無線電波傳遞更多的信息。激光的另一個特點是它的平行度非常好。由于平行度好，所以在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度。激光的這個特點使它可以用來進行精確
3、的測距。對準目標發(fā)出一個極短的激光脈沖，測量發(fā)射脈沖與收到反射回波的時間間隔，就可以求出目標的距離。激光測距雷達就是根據(jù)這個原理制成的。多用途的激光雷達不僅可以測量距離，而且能根據(jù)多普勒效應(yīng)測出目標的運動速度，從而對目標進行跟蹤。由于平行度好，激光可以會聚到很小的一點。讓這一點照射到DVD機、CD唱機或計算機的光盤上，就可以讀出光盤上記錄的信息，經(jīng)過處理后還原成聲音和圖像。由于會聚點很小，光盤記錄信息的密度很高。激光還有一個特點是亮度高，也就是說它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)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
4、使物體的被照部分在不到千分之一秒的時間內(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。因此，可以利用激光束來切割、焊接以及在很硬的材料上打孔。醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”來切開皮膚、切除腫瘤，還可以用激光“焊接”剝落的視網(wǎng)膜。4/4圖13.8-1用激光打孔原子核聚變時釋放的核能是一種很有希望的能源。怎樣使原子核在人工控制下進行聚變反應(yīng)，這是各國科學(xué)家研究的重要課題。一個可能的實現(xiàn)途徑是，把核燃料制成小顆粒，用激光從四面八方對它進行照射，利用強激光產(chǎn)生的高壓引起核聚變。全息照相日常照相所采用的是乳劑成像技術(shù)。照相底片的片基上涂敷了
5、一層由鹵化銀制作的感光乳劑。乳劑被光照射以后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的強弱由被攝景物的亮暗決定，從而在底片上記錄了明暗的差別。普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強弱信息，而全息照相技術(shù)還可以記錄光波的相位信息。圖13.8-2是拍攝全息照片的基本光路。同一束激光被分為兩部分，一部分直接照射到底片上（稱為參考光），另一部分通過被拍攝物反射后再到達底片（稱為物光）。參考光和物光在底片上相遇時發(fā)生干涉，形成復(fù)雜的干涉條紋。底片上某點的明暗程度反映了兩束光疊加后到達這點時光波的強弱。4/4圖13.8-2全息照片的拍攝圖13.8-3全息影像演示觀察全息照片觀
6、察全息照片時要用激光束照射照片，如圖13.8-4。從照片的另一側(cè)向照片看，可以看到原物體的立體的像現(xiàn)在已經(jīng)有了用白光觀察全息照片的技術(shù)。。圖13.8-4觀察全息照片全息照片的拍攝利用了光的干涉原理，這就要求參考光和物光有很高的相干性。激光符合這個要求，因此，在激光出現(xiàn)后，全息技術(shù)得到了長足的發(fā)展。激光的應(yīng)用遠不止這些，而且還在不斷發(fā)展。這方面的介紹文章很多，報刊、電視中也常有最新進展的報道。4/4做一做全息技術(shù)有著重要的應(yīng)用價值。請你查閱資料，了解人們已經(jīng)在哪些領(lǐng)域利用了全息技術(shù)。你還能設(shè)想新的應(yīng)用前景嗎？問題與練習(xí)1．激光是相干光源。
7、根據(jù)激光的這個特點，可以將激光應(yīng)用在哪些方面？2．一張光盤可以記錄幾億個字節(jié)，其信息量相當于幾千本十多萬字的書，其中一個重要的原因就是光盤上記錄信息的軌道可以做得很密，1mm的寬度至少可以容納650條軌道。這是應(yīng)用了激光的什么特性？3．激光可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)聚集很大的能量。例如一臺紅寶石巨脈沖激光器，激光束的發(fā)散角只有10-3rad，在垂直于激光束的平面上，平均每平方厘米面積的功率達到109W。激光的這一特性有哪些應(yīng)用價值？請你舉例說明。4．激光的應(yīng)用在不斷拓展，激光與人們生活的聯(lián)系越來越廣泛。請你觀察自己生活中的事物，收集
8、有關(guān)資料，寫一篇跟自己生活有聯(lián)系、反映激光應(yīng)用實例的短文：我周圍的激光。4/4
