师：各位同学，大家好。今天我们学习高二物理选择性必修第一册第四单元第七节的内容。
激光是 20 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。其原理早在 1916 年就被爱因斯坦提出，但直到 1960 年，激光才首次被成功制造出来。自 1960 年在实验室制成第一台红宝石激光器后，各种激光器的研制和激光技术的应用便突飞猛进。半个多世纪以来，激光已深入我们生活的方方面面，如绚丽多彩的激光舞台、DVD 播放、医院手术等都离不开激光。那么，激光究竟是一种什么样的光？它为何有如此大的用途？这节课，我们就一起来学习什么是激光，认识激光的特性，以及它的一些应用。
师：光是从物质的原子中发射出来的。物质中的原子受到激发后，能量增加，处于不稳定状态，会向低能量状态跃迁，跃迁过程中会发出光子。普通光源，如白炽灯、日光灯、高压水银灯的发光过程为自发辐射，灯丝中的某个原子何时发光完全随机，发光频率不一定相同，不同原子发出的光也没有确定的相位差。因此，两个独立的普通光源发出的光，会在空间某点一会儿相互加强，一会儿相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，不会发生干涉。所以，普通光源产生的光是非相干光。而激光则是一种通过人工方法获得的、频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光。某些物质中的原子受光或电的刺激，低能级原子变成高能级原子，高能级原子向低能级跃迁时，辐射出相位、频率、方向完全相同的光子，这种光就是激光。
师：激光器是 20 世纪 60 年代初出现的新型光源，是产生激光的器件，主要由工作物质、激励源、谐振腔三部分组成。其中，工作物质是发射激光的发光材料，决定产生激光的波长；激励源负责向工作物质提供能量，将工作物质的原子从稳定的低能量状态激发到不稳定的较高能量状态，处于不稳定较高能量状态的原子返回低能量稳定状态时会放出光子；谐振腔是由置于工作物质两端的一对反射镜构成的光学系统，一个反射镜反射率接近 100%，另一个有适量的透过率，使激光器能够向外输出。谐振腔的作用是对工作物质发出的某种频率的光子进行收集、放大，进而形成激光并向外输出。所以，激光产生的原理是受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位和振动方向，因此辐射出来的激光是相干光。
师：那么，激光具有哪些特性呢？首先，由于激光产生的频率相同，而光的颜色由频率决定，所以激光的第一个特性是单色性好。普通光源发射的光通常包含各种不同频率的光，因而包含各种颜色。在激光出现以前，普通光源中氪灯发出的波长为 605.7 纳米的光谱线单色性最好，在低温条件下，其光谱波长差宽度达到 0.00047 纳米。而激光出现后，情况大为不同。例如，单模稳频氦氖激光器所输出的波长为 632.8 纳米的激光，作为一种高亮度的单色光源，其谱线波长差宽度小于 10 的 -8 次方纳米，这比普通光源中单色性最好的氪灯的单色性提高了四到五个数量级。所以，激光发射的光谱宽度很窄，是单色性非常好的光源。
师：一束激光中所有光子不仅频率相同，振动情况也完全相同。因此，激光的第二个特性是相干性好。由于激光相干性好，所以容易发生干涉现象。如果用普通光源做双缝干涉实验，要在双缝前放一个单缝；而用激光做双缝干涉实验时，直接用激光照射双缝，就可以得到明亮又清晰的干涉条纹。用激光做光源观察光的干涉和衍射现象，都能取得较好的效果。利用激光的相干性和易于调制的特点，传输信息时所能传递的信息密度极高。一条细细的激光束通过光导纤维可以同时传送 100 亿路电话和 1000 万套电视，全国人民同时通话都用不完它的通讯容量。
师：激光束的发散角很小，方向性很强。因此，激光的第三个特性是平行度好。激光光束的能量在空间高度集中，不容易发散，从地面发射一束极细的激光束到达月球表面时，也只能发散成直径约 1 千米的光斑，同时仍能保持很大的强度。所以，激光在地面上传播时可以看成是不发散的。
师：由于激光平行度好，光源不容易扩散，光线能保持很好的强度，所以得到激光的第四个特性是亮度高。即使传播一段距离后，激光光束的能量在空间仍能高度集中。激光的亮度比普通光源的亮度高出 10 的 12 次方到 10 的 19 次方倍，是目前最亮的光源。强激光甚至可以产生上亿度的高温，由于激光具有很高的能量，所以它是精密机械加工，特别是微电子工业加工不可缺少的工具。激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量，因此可以利用激光在坚硬的材料上打出直径 0.1 毫米到几微米的小孔。利用激光亮度高的特点，还可以对金属进行切割、焊接，代替机械刀具和刻刀，直接加工大型和微型元件，具有普通机械加工不可比拟的优势。由于激光亮度非常高，所以不能直接将激光照射眼睛，否则会对眼睛造成伤害。下面我们来观看一个视频，看看激光笔蕴含的能量到底有多大。
（播放视频）
师：我们先简单地用一根火柴试一下，可以看到火柴在接触到光线的一瞬间就冒起了白烟，没一会儿，激光笔就隔空将火柴切成了两半。接下来我们再换上铝试试，铝丝也被激光笔切成了几段。之后，试验者将光线顺着铝丝顶端滑行，铝丝在高强度的能量下化成铝水落在了桌面上。要知道铝的熔点可是足足 700 度。那我们用鸡肉试一下，鸡肉会被烤熟吗？我们将激光笔对焦在鸡肉上，鸡肉开始冒烟，接下来激光笔竟然直接将鸡肉穿透。本质上来讲，激光笔并不是一种玩具，因其聚焦性极强，很容易灼伤眼球。
师：由于激光具有单色性好、相干性好、平行度好、亮度高的特点，它在现代生产和生活中有着广泛的应用，形成了许多与激光相关的产业，比如激光传递信息、激光武器、激光加工、激光医学、激光全息照相等。下面我们就举几个激光应用的具体例子。
师：光纤，全称光导纤维，它能把光信号从一端远距离传输到另一端，其原理是利用了光的全反射。光纤中用激光作为传递信息高速传输的载体，要使射到粗细均匀的圆形光纤维一端面上的激光束都能从另一端面射出，而不会从侧面泄露，必须使携带信号的光都满足全反射条件，且传输很长距离后的光还具有足够的亮度。激光亮度高，能在一定程度上保证携带信号的光在传输很长距离后仍有足够的亮度；另一方面，由于激光单色性好，只要选择好入射光到光纤的角度，则所有携带信号的光都能满足全反射条件。所以，带有声音、图像等信号的激光，从光纤一端输入，可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信。光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强。光纤通信的发展带动了整个信息科学的发展，像光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络正以惊人的速度进入千家万户。
师：激光具有良好的平行度，能使激光在雷达上用于测量距离和跟踪目标。对准目标发出一个极短时间的激光脉冲，测出激光从发射脉冲到接收回波的时间，即可算出被测目标的距离。激光测距雷达就是根据这个原理制成的。多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且还能根据多普勒效应测出目标的运动速度和运动方位，甚至能描绘出目标的形状，从而对目标进行识别和跟踪。所以，激光雷达可以应用在导航、气象、天文、军事技术等方面。