高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第4节 激光与全息照相知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第5章 光的干涉 衍射 偏振 第4节 激光与全息照相知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第4节 激光与全息照相 ‎ 思维激活 在许多不同的领域和场合,你一定接触或听说过“激光”这一神奇之光,那么,激光到底是什么样的光,它为什么有这么大的用途?‎ 提示:激光技术的出现到现在不过五十年的时间,它的出现不仅使光学焕发新的青春和活力,而且对整个科学技术的发展起到了重大的促进作用.‎ 为什么激光有这么大的影响力?这和它的特殊性能是分不开的:异常高的亮度——这是激光与普通光源的最根本区别,其单色性好、方向性强而且便于控制.激光技术已经广泛地应用到通讯、军事、工农业生产、医疗卫生、生活娱乐等各方面.‎ 激光的用途很广,各国科学家正致力于这方面的研究,相信不远的将来,激光会有更大的用武之地.‎ 自主整理 一、激光及其特性 ‎1.激光是___________________产生的光,是20世纪最重大的科学发现之一.‎ ‎2.激光的三大特点分别是:____________、____________、____________.‎ 二、激光的应用 激光诞生后的最重大应用是____________,它是应用激光的____________来实现的,这是因为激光具有____________的特点,是很好的相干光源.‎ 高手笔记 激光的特性及用途:‎ ‎(1)激光是原子受激辐射产生的光,频率相同,单色性好,是一种人工产生的相干光,具有高度的相干性.它能像无线电波那样进行调制,用来传递信息;记录和再现全息照相是通过激光来实现的.‎ ‎(2)激光的方向性强,也就是平行度非常好,可以用来精确地测距、用来刻制光盘及读出光盘上记录的信息.‎ ‎(3)激光的亮度高,可以用来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔.‎ 名师解惑 ‎1.激光为什么是相干光?而普通灯泡发出的光不是相干光?‎ 剖析:激光是从物质的原子中发出来的,原子获得能量后,处于不稳定状态,它会以光子的形式把能量辐射出去.但是,普通光源——灯泡,灯丝中的每个原子在什么时刻发光,朝哪个方向发光,都是不确定的,发光的频率也不一样.这样的光在叠加时,一会儿在空间的某点加强,一会儿又在这点削弱,不能形成稳定的亮区和暗区,所以不能发生干涉,因而是非相干光.‎ 激光的光源原子发生受激辐射时,发出的光子的频率、发射方向,都跟入射光子完全一样.能产生稳定的干涉图样,是相干光.‎ ‎2.激光有哪些方面的应用?‎ 剖析:(1)利用单色性、相干性:拍频技术(可精密测定各种移动、转动和振动速度)、激光地震仪、精密导航、光纤通信、全息照片、工业探伤、激光全息摄影等.‎ ‎(2)利用方向性强、亮度高:测距、激光雷达、读取VCD机、CD唱机和计算机的光盘、切割金属、打孔、医学上切除肿瘤等.‎ ‎(3)利用亮度高:军事上的激光炮弹、医疗上的激光手术等.‎ 讲练互动 ‎【例题1】下列说法正确的是（ ）‎ A.两支铅笔靠在一起,自然光从笔缝中通过后就成了偏振光 B.偏振光可以是横波,也可以是纵波 C.因为激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象 D.激光可以像刀子一样切除肿瘤 解析：两支普通铅笔靠在一起,中间的缝远远地大于光的波长,因此,光从中通过时不会成为偏振光;光是横波,偏振光也是横波;激光也是光,因此激光就具有光波的特性,能够发生衍射现象;激光有很多用途,其中可用来做手术,切除肿瘤.‎ 答案：D 绿色通道 激光是一种特殊的光,光的一切规律都可以直接应用于激光.‎ 变式训练 ‎1.下列应用激光的事例中错误的是（ ）‎ A.利用激光进行长距离精确测量 B.利用激光进行通信 C.利用激光进行室内照明 D.利用激光加工坚硬材料 解析:激光的单向性好,不利于室内照明,并且大功率的激光要靠专门的激光器产生,成本太高,且由于激光的能量集中,会对人体产生伤害,因此选项C所述应用是错误的.其他三个选项的应用都很好地应用了激光的方向性强、单色性好、亮度高的特性.‎ 答案:C ‎【例题2】一台激光器,它的功率为P,如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ,则这束单色光的频率是__________,它在时间t内辐射的光能为____________,如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v,那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为_________.‎ 解析：根据v=λf可得这束单色光的频率f=c/v;激光器的时间t内所做的功W=Pt转化为光能;‎ 这束单色光对该介质的折射率n=c/v,设它从该介质射向真空发生全反射的临界角为C,则sinC=1/n=v/c,所以C=arcsin(v/c).‎ 答案： Pt arcsin(v/c)‎ 绿色通道 这道题虽以激光为命题背景,但解题的根据仍然是前面所学过的光学规律.‎ 变式训练 ‎2.一束激光从空气射入玻璃中,则其（ ）‎ A.频率不变,波长变长 B.频率变大,波长不变 C.频率不变,波长变短 D.频率变小,波长不变 解析:激光的单色性好,其频率由光源决定,与介质无关,从空气射入玻璃后,波速减小,根据λ=v/f,知波长应变短,故选C.‎ 答案:C 教材链接 ‎【讨论与交流】(课本第110页)‎ 请根据自己平时对激光的了解,说说你身边熟悉的激光应用,并试着说说什么是激光,激光有哪些特性.‎ 答:激光(laser)是一种特殊的光,自然界中的发光体不能发出激光.1960年,人类在实验室里首次发射出了激光.激光具有以下几个特点:‎ ‎(1)激光是人工产生的相干光,其单色性好,相干性好.‎ 激光的频率比较单一,相干性非常好,颜色特别纯.用激光做衍射、干涉实验,效果很好.‎ ‎(2)激光束的方向性强.从激光器发出的激光具有极好的平行性,几乎是一束方向不变、发散角很小的平行光.传播几千米后,激光斑扩展范围不过几厘米,而探照灯的光束将扩展到几十米范围.‎ ‎(3)亮度高.激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.‎ 激光的应用,主要有以下几类:‎ ‎(1)光纤通信 激光可以像无线电波那样进行调制,可用来传播信息,而且因为它的频率比无线电波高,所以激光携带的信息量比无线电波大.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.‎ ‎(2)激光测距 因为激光的平行度好,所以传播很远的距离仍能保持一定的强度,利用这一特点,对准目标发射一个激光脉冲,测量脉冲发射和接收到反射回的脉冲的时间间隔Δt,可精确测量出距离s=c·Δt.激光雷达就是根据这一原理制成的.‎ ‎(3)激光写、读 由于激光的平行度好,激光可以会聚到一个很小的点上,利用激光可以在光盘上刻录密度很高的信息,也可以利用激光从VCD机、CD唱机或计算机的光盘上读出记录的信息,经过处理后还原成声音或图像.‎ ‎(4)激光加工 将激光器发出的激光经光学系统聚焦后,在待加工的工件上形成密度很高、能量很大、直径很小的光斑,使受照部位迅速熔化或汽化,以完成特定要求的加工,包括切割、焊接、打孔、划片、整形、热处理和表面处理等.‎ ‎(5)激光手术(亦称光刀手术)‎ 利用激光器发射的激光作为手术刀进行切割、汽化等外科手术.激光手术有以下优点:①对凝固血管很有效,使不流血手术得以实现;②手术切缘锐利、平整;③由于激光手术是非接触手术,对于一些操作困难的部位实施手术尤为方便;④切割恶性肿瘤时,因激光能随时封闭毛细血管和淋巴液通道,有助于防止肿瘤细胞的扩散和转移.除激光手术外,在医疗上还可以进行激光治疗.‎ ‎(6)激光武器 利用大能量激光器发射的激光束来攻击敌方,使被照射处形成能量、密度很高的光斑,被照射物体表面迅速熔化或汽化.激光武器具有很强的攻击力,常被称作“死光”.激光以3×‎108 m/s的高速出击,只要对准目标,即可命中.在射击快速运动目标时无需考虑提前量,因此特别适合用来防御快速侵袭的低空飞机、导弹以及拦截军事卫星等.而且激光发射器发射激光时反作用力很小,即使在高速飞行的飞机上使用,也几乎不影响命中率.‎ ‎(7)可控聚变反应中的应用 科学家设想把核燃料制成小颗粒,用激光从四面八方对它进行照射,利用强激光产生的高压引起聚变,从而实现可控聚变反应.‎ ‎(8)全息照相 全息照片的拍摄利用了光的干涉原理,要求参考光和物光具有很高的相干性,激光恰好具备这一特点.‎