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摘要：在高中物理的光学实验中，有很多时候用到激光。本文全面介绍了激光的名称来历、激光的产生、特性及应用。
关键字：激光 辐射 相干性
在高中物理的光学实验中，有很多时候用到激光。例如课上演示实验中的反射现象、折射现象、全反射现象、光的干涉现象等都是用激光来做，易操作、现象明显，效果好。这都是由于激光的相干性、平行性、单色性的特性。对于激光，下面我们一起来学习它的产生、发展、特性及应用。
激光英文名称LASER，最初的音译镭射，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光是20世纪人类的一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
那么，激光是怎么产生的呢？光是从物质的原子中发射出来的，原子获得能量以后处于不稳定状态，原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。一般光源发光时，各个原子发出的光子是向四面八方辐射的，它们的频率和振动方向互不相同，而且每个原子每次持续的时间很短，下一次发光又会发出频率和振动方向与前一次不同的光子。这样的光是非相干光，显示出各个方向的光波强度相同，这种光就是自然光。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的話，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。当原子获得能量处于不稳定状态时，如果恰好有某一能量的光子从附近通过，在入射光子的电磁场影响下，原子会辐射出一个频率、发射方向和振动方向等与入射光子完全相同的光子。这样，一个光子变成了两个相同的光子。如果这两个光子在介质中传播时再引起其他原子再发出越来越多的相同光子，使光得到加强，就形成激光。这里提到“受激辐射”,它是爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
由激光的产生可知激光光子频率相同、振动方向、相位高度一致，所以它有很多特性：（1）激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。这也是之所以用它做双逢干涉演示实验原因，效果最好。（2）平行度好。普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。（3）单色性好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10 纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。（4）亮度高、能量密度大。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。光子的能量是用E=hf来计算的，其中h为普朗克常量，f为光子的频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846 ×1014 Hz到7.895× 10 14Hz由此计算，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量。
激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。但激光有以上特性，使得激光的应用非常广泛。利用激光的相干性，有激光通信，光纤通信，全息照相；利用激光的平行度好，有激光雷达可以测距、甚至测速跟踪，激光读取光盘，激光传感器；利用激光的亮度高、能量密度大，可以用来切割金属、焊接金属，医学上用激光作“光刀”来切除肿瘤，“焊接”剥落的视网膜，利用激光引起核聚变。激光的应用远不止这些，经过40多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光冷却、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光玻璃、激光手术刀、激光美容、激光武器中的激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮 ……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用，我们一起来期待！
（河北张家口市第一中学075000）
关键字：激光 辐射 相干性
在高中物理的光学实验中，有很多时候用到激光。例如课上演示实验中的反射现象、折射现象、全反射现象、光的干涉现象等都是用激光来做，易操作、现象明显，效果好。这都是由于激光的相干性、平行性、单色性的特性。对于激光，下面我们一起来学习它的产生、发展、特性及应用。
激光英文名称LASER，最初的音译镭射，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光是20世纪人类的一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
那么，激光是怎么产生的呢？光是从物质的原子中发射出来的，原子获得能量以后处于不稳定状态，原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。一般光源发光时，各个原子发出的光子是向四面八方辐射的，它们的频率和振动方向互不相同，而且每个原子每次持续的时间很短，下一次发光又会发出频率和振动方向与前一次不同的光子。这样的光是非相干光，显示出各个方向的光波强度相同，这种光就是自然光。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的話，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。当原子获得能量处于不稳定状态时，如果恰好有某一能量的光子从附近通过，在入射光子的电磁场影响下，原子会辐射出一个频率、发射方向和振动方向等与入射光子完全相同的光子。这样，一个光子变成了两个相同的光子。如果这两个光子在介质中传播时再引起其他原子再发出越来越多的相同光子，使光得到加强，就形成激光。这里提到“受激辐射”,它是爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
由激光的产生可知激光光子频率相同、振动方向、相位高度一致，所以它有很多特性：（1）激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。这也是之所以用它做双逢干涉演示实验原因，效果最好。（2）平行度好。普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。（3）单色性好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10 纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。（4）亮度高、能量密度大。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。光子的能量是用E=hf来计算的，其中h为普朗克常量，f为光子的频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846 ×1014 Hz到7.895× 10 14Hz由此计算，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量。
激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。但激光有以上特性，使得激光的应用非常广泛。利用激光的相干性，有激光通信，光纤通信，全息照相；利用激光的平行度好，有激光雷达可以测距、甚至测速跟踪，激光读取光盘，激光传感器；利用激光的亮度高、能量密度大，可以用来切割金属、焊接金属，医学上用激光作“光刀”来切除肿瘤，“焊接”剥落的视网膜，利用激光引起核聚变。激光的应用远不止这些，经过40多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光冷却、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光玻璃、激光手术刀、激光美容、激光武器中的激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮 ……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用，我们一起来期待！
（河北张家口市第一中学075000）