问题导入

在大型晚会的舞台上，我们会看到一道道彩色光柱随着音乐的旋律相互交织闪烁，将舞台装扮得美轮美奂，给我们带来非常震撼的视觉感受。这就是激光的作用。什么是激光？激光有哪些神奇的特性？激光有哪些应用？让我们带着这些问题，一起学习本节内容。

图7-2-1　激光装饰的舞台

1.激光

激光和普通光不同，它不是天然存在于自然界的，而是科学家在实验室里激发出来的“人造光”。激光是某种物质因受到人为的特定刺激而从原子内部诱发出的具有良好的单色性的光。

1960年，美国物理学家T.H.梅曼（图7-2-2）等人制成了世界上第一台红宝石激光器，结构如图7-2-3所示。1961年，我国也研制出自己的激光器。50多年来，人们已利用许多特殊物质制造出了多种激光器，如氦氖激光器、红宝石激光器、砷化镓激光器、氢离子激光器等，使激光技术得以迅速发展。如今，激光技术已经深入我们生活的各个角落，被认为是20世纪继原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术。

图7-2-2T.H.梅曼

图7-2-3　世界上第一台红宝石激光器的结构图

2.激光的特性

演示实验

如图7-2-4所示，将一个充气的蓝色气球装入一个较大的充气的透明气球中，用激光笔对准蓝色气球发射一束激光，你会看到什么现象？

图7-2-4　激光穿过透明气球射穿蓝色气球

由实验可以看到，激光射穿了蓝色的气球，而外面的透明大气球完好无损。要解释这一现象，我们还要进一步了解激光的特性。

（1）平行度高

激光的平行度非常好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。普通光源发出的光是发散的，射程较近。例如，好的手电筒在夜间只能照到几十米远的地方，大型探照灯的光束在几千米之外直径扩展到几十米。1962年，人类第一次用激光照射距地球38万km外的月球，激光在月球表面形成的光斑直径还不到2km。图7-2-5为美国宇航局戈达德太空飞行中心的激光测距仪向月球侦测轨道器发射激光束。

图7-2-5　激光测距仪向月球发射激光

（2）能量集中

激光能在很短的时间内把巨大的能量高度集中地辐射出来，所以具有很高的亮度。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体被照射部分在不到0.001s的时间内产生几千摄氏度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。在前面的演示实验中，激光之所以能够射穿蓝色气球，就是因为激光穿过透明介质，集中的能量被蓝色的气球吸收的原因。

（3）单色性好

激光的颜色很纯，即单色性好。例如，氦氖激光器发出波长为632.8nm的红光，对应的频率为4.74×1014Hz，它的谱线宽度只有9×10-2Hz。而普通的氦氖混合气体放电管所发出的同样频率的光，其谱线宽度达1.52×109Hz，比激光的谱线宽度大1010倍以上。

（4）相干性好

由于激光具有相同的频率、偏振状态和传播方向，具有很强的相干性，常用它做光的干涉实验，干涉条纹非常清晰。它还能像无线电波那样进行调制，用来传递信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。

3.激光的应用(www.daowen.com)

由于激光所具有的优异特性，它一经问世就获得了广泛关注并飞速发展，目前已经在军事、科技、通信、工业、医疗、生活等领域中得到广泛的应用。

（1）激光在通信领域的应用

这方面的用途主要利用的是激光的单色性好、平行度高和相干性好的优良特性。由于激光有较好的相干性，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。把声音、图像等信号调制到激光载波上，然后将激光通过光纤发送出去，在接收端通过解调和输出设备，将所传送的声音、图像信号再现出来，就实现了激光光纤通信。相对于传统的无线电通信，激光光纤通信具有通信容量大、通信质量高、保密性好、成本低等显著特点。

图7-2-6　眼科医生利用激光技术完成白内障手术

（2）激光在医学领域的应用

激光在活体组织传播过程中会产生热效应、光化效应、光击穿和冲击波作用，在医学领域得到了广泛应用。激光是通过产生高能量，聚焦精确，具有一定穿透力的单色光，作用于人体组织而在局部产生高热量，从而达到去除或破坏目标组织的目的。激光手术切口小、术中不出血、创伤轻、无瘢痕，术后不需要住院治疗，这是传统手术无法比拟的。激光刀在切割的同时也进行了灼烧，可以封闭血管防止其出血，减少感染的危险。用激光对牙齿进行无痛钻孔和去蛀牙，使人们对以前望而生畏的牙科手术大感轻松。激光在眼科上的应用最令人叹为观止，它可以焊接脱开的视网膜，封闭破漏的血管，彻底摧毁飘浮在眼中的微小沙粒等。图7-2-6是眼科医生正在利用激光手术刀为病人切除白内障。激光还可以用于治疗和预防癌症。一方面，激光可以用作激光刀来切除肿瘤；另一方面，激光在癌症的早期诊断方面也卓有成效。借助于激光能准确地确定肿瘤细胞和正常细胞，再借助于一些特殊的化学物质，采用激光化疗法，能够杀死肿瘤细胞，从而达到治疗癌症的目的。

（3）激光在工业领域的应用

激光的方向性好，能量比较集中，可以获得很高的功率。激光加工正是利用这一特点将激光作为热源进行加工的。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工主要包括切割、焊接、打孔、弯曲成型、表面处理等加工方式。

图7-2-7　激光切割机

激光加工系统与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

（4）激光在军事领域的应用

激光武器是利用高能量密度的激光束替代常规子弹的新型武器。高能激光光束照射到目标上时，部分能量被目标材料吸收，转化为热量，使其汽化、熔化、穿孔、断裂，甚至产生爆炸，同时还能辐射具有危害性的红外线、X射线等。激光武器具有较大的杀伤力，足以使目标失去效能。另外，它还具有攻击速度快、转向灵活、打击精确、不受电磁干扰等优点。目前正在发展和逐步投入部署的各种激光武器系统，用于巡航导弹防御、反卫星、高分辨率图像、舰船防御、近距离支援以及飞机自卫等方面。图7-2-8为利用激光武器摧毁洲际弹道导弹的示意图。

图7-2-8　利用激光武器摧毁洲际弹道导弹的示意图

STS

半导体激光器

半导体激光器又称激光二极管，是使用半导体材料作为工作介质的激光器，如图7-2-9所示。半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、转换功率高、功耗低、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全等优点，应用领域非常广泛，如光盘读写、激光打印、激光测距、条码扫描、激光显示、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演等。

目前已开发出并投放市场的半导体激光器所发射的激光波长有十多种，从红外、可见光到紫外各波段都有。

图7-2-9　半导体激光器

习　题

1.激光有哪些主要特性？

2.激光切割技术主要应用了激光的什么特性？

3.查找资料，了解激光有哪些危害，怎样预防？

4.举例说明激光在各个领域的应用。