例说激光的原理和应用

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1、例说激光的原理和应用激光在现代技术中占有非常重要的地位，高中物理教材对激光的原理和特性进行了初步介绍．与激光知识相关的命题不仅可以考查学生对原子结构的理解，也能对学生的物理综合能力和接受处理新知识的能力进行有效的考查，是当前命题的一个热点．现举例说明如下．例１．太赫兹辐射（1THz=1012Hz）是指频率从0.3THz到10THz、波长介于无线电波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域，所产生的T射线在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景．最近，意大利和英国的科学家终于研制出以红外线激光器为基础的首台可产生4.4THz的T射线激光器，从而使T射线的有

2、效利用成为现实．关于4.4THz的T射线，下列说法中错误的是（谱朗克常数h=6.63×10－34J·S）A．它在真空中的速度为3.0×108m/sB．它是某种原子核衰变时产生的C．它的波长比可见光长D．它的光子的能量约为2.9×10－21J解析：选Ｂ．激光是由原子受激辐射产生的．例２．处于激发态的原子，如果在入射光子的电磁场的影响下，引起高能态向低能态跃迁，同时在两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫受激辐射．原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理．那么发生受激辐射时，产生激光的原

3、子的总能量En、电子的电势能Ep、电子动能Ek的变化关系是A．Ep增大、Ek减小、En减小B．Ep减小、Ek增大、En减小C．Ep增大、Ek增大、En增大D．Ep减小、Ek增大、En不变解析：选Ｂ，原子从亚稳定态辐射激光光子回到基态，总能量减少，电子的轨道半径更小，由于，所以电子速度更大，动能增加，原子势能减少．例3．纳米技术是跨世纪的新技术，将激光束的宽度集中到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对ＤＮＡ分子进行超微型基因修复，把诸如癌症、遗传疾病等彻底根除．在上述技术中，人们主要利用了激光的Ａ．单色性　　　　　Ｂ．单向性　　　　Ｃ．亮度高　　　　　Ｄ．粒子性解析：选

4、Ｃ．激光的光束很狭窄，能量集中，所以有很强的威力根除病变基因而不伤及正常部分．例4．白炽灯和激光比较，下列说法正确的是Ａ．白炽灯光会有各种波长的光，而激光是某种特定波长的光Ｂ．白炽灯光和激光都能用来高速传递大容量信息Ｃ．白炽灯光不是相干光，而激光是相干光Ｄ．以上说法都不正确解析：选Ａ、Ｃ．白炽灯光是由炽热固体发出的光，含有各种频率的光谱，不是相干光，而激光由原子外层电子受激辐射产生，是仅有特定波长的相干光，能像无线电那样进行调制用来传递信息，光纤通讯就是激光和光导纤维结合的产物．例５．红宝石激光器发射的激光是一道道不连续的闪光（称为光脉冲），设激光器的发射功率W，激光波

5、长，普朗克常数J•s，问每列光脉冲的长度是多少？一个光脉冲中含有光子数n是多少？解析：以△t、和c分别表示脉冲的持续时间、长度和光在真空中的传播速度，由题意知：；以P和E表示红宝石激光器发射功率和光脉冲的能量，则有：以λ和ν表示红宝石激光的波长和频率有：，每个红宝石激光光子的能量，所以每列光脉冲中的光子数例６．激光器发出的一束激光功率为P，光束的横截面积为S．（１）当该激光束垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．（２）若激光束被物体表面完全反射，证明其在表面引起的光压是解析：（１）设单位时间内激光器发出的光子数为n，每个光子的能量为Ｅ，动量为

6、p，，则激光器的功率为Ｐ＝nＥ，所以单位时间内到达物体表面的光子总动量为．（２）激光束被物体表面完全反射时，其单位时间内的动量改变量为，根据动量定理激光束对物体表面的作用力为，因此激光束在物体表面引起的光压为．例６．在一个真空内，一束非常准直的原子束（通过样品在1000K高温下蒸发而获得，原子做热运动的速率近似为v0=1000m/s），受一束激光的正面照射，如图1，设原子处在基态，运动方向与激光光子运动方向相反．选好激光频率使光子能量E等于钠原子第一激发态与基态能量差，原子就能吸收它而发生跃迁，跃迁后原子速度变为v1，速度变化量为△v1=v1-v0，随后该原子发射光子并

7、回到基态，设所发射光子运动方向与速度v0方向总是相同的，此时原子速度变为v2，速度变化量为△v2=v2-v1．接着重复上述过程，直到原子速度减小到零．问题：（1）吸收与发射光子的总数n是多少？（2）原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命，用τ表示，大小约10-8s，忽略每次吸收与发射光子的时间．按上述方式原子从初速v0减小到零，共需多长时间？该时间内原子共走过的路程L约多少？（E=3.36×10-19J，阿伏加德罗常数N=6.0×1023mol-1，光速c=3.0×108m/s）解析：题中所描述的物理过程就是“激光致冷”原理．