第四章 第五节 激光
在我们的生活中存在各种各样的光源，如太阳、萤火虫、蜡烛、日光灯、弧光灯等。激光（laser） 是 20 世纪 60 年代才出现的一种新型光源。
早在 1916 年爱因斯坦就提出了“光可以被放大”这一设想。直到 1959 年，汤斯（C. H. Townes，1915—2015）等人发表了关于实现激光的论文。1960 年，梅曼（T. H.Maiman，1927—2007）发明了世界上第一台激光器。1961 年，中国科技人员研制出了我国第一台红宝石激光器。1964 年，我国著名科学家钱学森受邀为 LASER 取了“激光”这个贴切的中文名称。
当前，激光技术在工农业生产、光纤通信、宽带网络、信息处理、医疗卫生、文化教育、科技研究、军事发展等多方面都发挥着重要的作用。如图 4–42 所示为 2016 年 G20 峰会文艺演出中激光投影技术呈现出的舞台效果。
图 4–42 激光投影效果
图 4–43 激光扫描条形码
如图 4–43 所示，激光扫描仪正在检读条形码。黑色线条对激光的反射率低；浅色条纹对激光的反射率高，被激光扫描仪识读后转换为计算机能接受的二进制信息。条码技术的应用大大促进了商品流通和管理的信息化。
设 E1 和 E2 是原子中电子的两个不同能级。当电子从较高能级 E2 自发地跃迁到较低能级 E1 时会发射出一个光子，该过程称为“自发辐射”。如果有一个能量恰好等于高低能级能量差的外来入射光子，处于较高能级 E2 的电子会在外来光子“诱发”下跃迁到较低能级 E1，并发射出一个与外来光子完全相同的光子，如图 4–44 所示，该过程称为“受激辐射”。每入射一个光子，就会辐射出两个与入射光子完全相同的光子。这意味着原来的光信号被放大了。若受激辐射产生的光子在介质中传播时又诱发了更多的其他原子发生相同的受激辐射，就会产生越来越多的相同光子。这些光子的性质完全相同，光信号被进一步放大。这种在受激过程中被放大的光就是激光。
图 4–44 受激辐射
与普通光源发出的光相比，激光有着显著不同的特性，主要表现在：方向性好、单色性好、相干性好、亮度高四个方面。
普通光源发出的光都是向四面八方辐射的，无论我们采用什么物理方法，都很难获得理想的平行光束。即使采用凹面镜、聚光镜等光学器件，可将光会聚成近似平行的光束；但若照射距离较大，光束仍会发散，在远处呈现大而暗淡的光斑。
图 4–45 激光光束的方向性
如图 4–45 所示，激光是沿一定方向发射、沿直线辐射的很细的光束，其发散角仅为 0.001 rad 左右。即使照射到离地球 380 000 km 外的月球，激光束在月球上的光斑直径仍不足 2 km。如果用探照灯往月球照射（实际上这是不可能的），其光斑直径将达几百千米。激光的方向性是普通光源无法企及的。因此，激光常被广泛应用于测距、通信、雷达和制导等方面。
激光之所以具有这么好的方向性要归功于激光器谐振腔的特殊结构。全反射镜和部分反射镜构成如图 4–46 所示的光学谐振腔。根据光的传播规律，凡是偏离轴线的光或直接逸出腔外，或经过几次来回反射后逸出腔外，不可能形成较强的光束。只有那些传播方向严格地与谐振腔轴线平行的光子才能在腔体内通过反复来回反射受激放大，因此，从激光器输出的激光束是与谐振腔的轴线平行一致的光束。
图 4–46 光学谐振腔
光的颜色由光在真空中的波长决定。“单色光”的波长范围越小，这种色光的单色性就越好。例如，氪（Kr86）灯发射的红光波长为 605.7 nm，其波长的变化范围为 4.710×10−4 nm。而 He-Ne 激光器发出的红色激光波长为 632.8 nm，其波长的变化范围仅为 2×10−9 nm，比氪（Kr86）灯红光的单色性提高了几十万倍。由于具有良好的单色性，激光常被用于精密测量、精准定位和测速等。
我们曾用激光束直接照射双缝，观察光屏上干涉条纹的特点。这是由于激光具有很好的相干特性，激光照射双缝后，能在光屏上看到清晰的干涉条纹。
激光的高度相干性使人们可以像利用无线电波一样用激光携带信号，通过光导纤维传输文字、声音、图像，从而实现了通信手段的重大突破。
全息技术也称“虚拟成像技术”，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体三维信息的技术。全息技术不仅可以产生立体的空中幻象，还可以使幻象与表演者互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果。全息技术利用了光的干涉原理。只有激光出现后，全息技术才得到长足的发展。
由于激光的方向性好，能量可以在空间沿发射方向高度集中，亮度比普通光源有极大提高。在机械制造中，常需按一定的形状切割或焊接厚度达几厘米至几十厘米的钢板。由于激光具有方向性好、能量集中的突出优点特别适用于加工各种材料，焊接（图 4–47）、打孔、切割（图 4–48）等。激光不仅能干削铁如泥的“重活”，还可以在金属、水晶上雕刻，甚至在金刚石上“钻”出极其细小完美的小孔。在超大规模集成电路的研制与开发中激光已成为关键技术。
图 4–47 激光焊接金属
图 4–48 激光切割金属
激光雷达是以激光作为光源，通过向被测目标发射激光，测量反射或散射信号确定被测目标的距离、运动速度及方位。激光雷达可以全天候作业，具有测距精度高、重量轻、功耗低的优点。
图 4–49 上海超强超短激光实验装置
如图 4–49 所示为上海超强超短激光实验装置。超强超短激光指峰值功率大于 1 TW（太瓦，1 TW = 1012 W），脉冲宽度小于 100 fs（飞秒，1 fs = 10−15 s）的激光。2017 年 10 月，中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室成功实现上海超强超短激光实验装置（SULF）10 PW（拍瓦，1 PW = 1015 W）激光放大输出，脉冲宽度为 21 fs。这是已知的世界最高激光脉冲峰值功率，达到国际同类研究的领先水平。
- 在阳光下用激光笔照射墙壁依然可以看到很亮、很小的光斑。这说明激光具有什么特性？在使用激光笔时需要注意什么？
- 激光具有普通光源不具备的一些特性，主要有：单色性好、强度大、传播方向性好等。在下列利用激光特性的实际应用中，利用了激光的哪些特性？
（1）在光纤通信中利用激光在光纤中传递信息。
（2）在医院，利用激光进行手术。
（3）利用激光测距仪精确测量远处目标的距离。
- 除了上述的应用外，激光还有哪些应用？这些应用利用了激光的什么特性？
问题与思考解读
1．参考解答：说明激光具有方向性好、强度高的特点。使用激光笔时应避免直接照射人体，特别是不能直射眼睛。
命题意图：引导学生具备良好的社会责任意识。
主要素养与水平：科学本质（Ⅰ）。
2．参考解答：（1）光纤通信是利用激光平行度非常好的特点对信号进行“调制”，使其在光导纤维中传递信息；光在光纤中发生全反射，能量衰减小，能实现传播方向的可控性和远距离传递信息。
（2）医学上用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光方向性好，光源的能量集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度。
（3）“激光测距雷达”利用激光测量远目标的距离是因为激光平行度好、方向性好。
命题意图：关注物理与技术应用的联系。
主要素养与水平：科学本质（Ⅰ）；社会责任（Ⅰ）。
3．参考解答：全息照相利用激光相干性好的特点；激光切割利用了激光单色性好、平行度好、亮度高的特点；用激光光源直接照射双缝做光的双缝干涉实验，利用了激光相干性好的特点，易于观察干涉现象。
命题意图：对激光的应用进行归纳与表述。
主要素养与水平：科学本质（Ⅰ）。
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全息照相
全息照相技术是1948年由英国科学家伽柏发明的。全息照片与普通照片不同，它记录了光波所携带的全部信息，即它包含了振幅和相位，而普通照片只记录强度（由振幅决定）。全息照片的功能在于它能够使来自被记录的物体的光波再现，这种再现的光波与原来真实物体发出的光波几乎完全相同，因此能在原物已不存在的情况下仍然看到其栩栩如生的三维图像。
全息照相技术在其发明早期难以推广。原因是它需要相干长度很大、强度也较强的光源，这在当时是难以达到的。激光的问世，使满足这种要求变得轻而易举，全息照相技术也因此得到了蓬勃发展。
全息照相技术就其原理来说，就是以干涉的方法记录原物发出的光波，用衍射的方法再现原物的光波。拍摄时，一束相干光通过分束器分为两束，一束直接射向记录介质（称为参考光），另一束射向拍摄对象，经反射后（称为物光）射向同一记录介质。由于物光和参考光间存在着光程差，这两束光在记录介质处叠加而产生干涉。因此记录介质不仅记录了物体不同部位的反光强度，也记录了由于空间位置不同而形成的位相信息，即把物体上不同位置发出的光波振幅和相位转换成在空间上变化的强度，也就是干涉条纹，记录介质上的干涉条纹记录了杨光的全部信息。目前全息技术已在各个领域获得广泛应用，日常生活中常见的一个例子就是作为防伪标志的彩虹全系图像。
发布时间：2022/6/12 下午3:13:34 阅读次数：2964
