热点材料：瑞典皇家科学院2005年10月4日宣布，将2005年诺贝尔物理学奖授予在光学领域的理论和应用方面作出贡献的两名美国科学家罗伊·格劳伯和约翰·霍尔以及德国科学家特奥多尔·亨施.美国科学家约翰·霍尔和德国科学家特奥多尔·亨施之所以获奖，是因为对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献.另一名美国科学家罗伊·格劳伯因为“对光学相干的量子理论的贡献”而获奖.有人问亨施教授，他的研究成果对在大街上行走的普通人有何直接影响.亨施说，更精确的GPS卫星导航定位系统及其在运输中的应用应该是最贴近民用的项目.尽管今年的诺贝尔物理学奖分开授予了三位科学家的两项科研成果，但实际上这两项成果结合得非常紧密，他们描述了自然界光的本性.近年的高考试题中有不少与诺贝尔奖有关的试题，也体现了近年高考的一个新趋向：与最新科技相联系，以培养学生解决实际问题的能力.现对与本年度诺贝尔物理奖有关的激光问题例析如下：

一、激光的产生机理

例1．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，产生激光的原子的总能量E_n、电子的电势能E_p、电子动能E_k的变化关系是

A.E_p增大、E_k减小、E_n减小         B.E_p减小、E_k增大、E_n减小

C.E_p增大、E_k增大、E_n增大         D.E_p减小、E_k增大、E_n不变

解析　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，故答案为B.

例2．常见的激光器有固体激光器和气体激光器，世界上发达国家已经研究出了自由电子激光器，其原理可简单用图1表示：自由电子经电场加速后，射入上下排列着许多磁铁的“孑孓”管中，相邻的两块磁铁的极性是相反的，在磁场的作用下电子扭动着前进，犹如孑孓在水中游动.电子每扭动一次就会发出一个光子（不计电子发出光子后能量的损失），管子两端的反射镜使光子来回反射，结果从略为透光的一端发射出激光.

（1）该激光器发出的激光频率能达到X射线的频率，功率能达到兆千瓦.若激光器发射激光的功率为P=6.63×10⁹ W，激光的频率为v=10¹⁶ Hz，则该激光器每秒发出多少激光光子？（普朗克常量h=6.63×10^-34 J·s）

（2）若加速电压U=1.8×10⁴ V，电子质量为m=9×10^-31 kg，电子的电量q=1.6×10^-19C，每对磁极间的磁场可看作是均匀的，磁感应强度为B=9×10^-4 T，每个磁极的左右宽度为L=30 cm，垂直于纸面方向的长度为2L=60 cm，忽略左右磁极间的缝隙，当电子在磁极的正中间向右垂直于磁场方向射入时，电子可通过几对磁极？

解析　（1）每个激光光子的能量E=hν=6.63×10^-34×10¹⁶ J=6.63×10^-18 J  

设该激光器每秒发射n个光子，则Pt=（nt）E，  

所以n=P/E=6.63×10⁹/6.63×10^-18=10²⁷ 个                                                    

（2）设电子经电场加速获得的速度为v ，由动能定理得，qU=mv²/2，

∴v=2qU/m=m/s

=8×10⁷ m/s                                

由电子在磁场中做圆周运动，设轨道半径为R，则qvB=mv²/R

∴R=mv/qB=9×10^-31×8×10⁷/（1.6×10^-19×9×10^-4）m=0.5 m

电子在磁极间的运动轨迹如图2所示（俯视图），电子穿过每对磁极的侧移距离均相同，设为ΔL，则ΔL=R-=0.5-=0.1 m

通过的磁极个数n=L/ΔL=0.3/0.1=3                     

二、激光的特点及应用

激光是20世纪60年代的新光源.由于激光具有方向性好，亮度高（即高能量），单色性好，相干性好，高功率等特点而得到广泛应用.

例3．美国曾在60年代用阿波罗飞船登月的机会，把一个平面镜做的反射器固定在月球表面上.然后在地球上利用激光的平行度好，对准反射器发出一个很短的激光脉冲，经过2.56s后在地面上接受到了该激光脉冲的反射信号.由此测出的地月间的距离为多少km？

解析　激光的方向性非常好，几乎是一点也不发散的绝对的平行光.激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距.对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到回波的时间间隔，就可以求出目标的距离.激光测距雷达就是根据这个原理制成的.

真空中的光速c=3.0×10⁸m/s，从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间t=2.56 s，月球与地球距离为　L= (1/2)ct=(1/2)×3.0×10⁸×2.56=3.84×10⁵ km.

例4．据英国《自然》杂志介绍：“科研人员使用输出功率为100MW的超高强度激光照射由重氢和碳制成的中空燃料球（直径大约500μm），能在极短的时间内把它加热到数百万摄氏度，进而引发核聚变.这种方法只须用约1.3KJ的能量就能引发核聚变反应.科学家们认为这种方法适合于制造小型廉价的核聚变反应堆，制造成本也可能大大降低.”用4台同样的这种激光器，从不同方向同时照射该中空燃料球多长时间，就可以得到引发核聚变必须的1.3kJ能量？这里是利用了激光什么特性.

解析　原子核聚变时释放的核能是一种很有希望的能源.怎样使原子核在人工控制下进行聚变反应，其中一个可能的实现途径是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核聚变.这主要是利用了激光的亮度高的特性.

由E=pt可知，

例5．（2004年高考天津卷）激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理.用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度 与二次曝光时间间隔△t的乘积等于双缝间距.实验中可测得二次曝光时间间隔△t、双缝到屏之距离l以及相邻两条亮纹间距△x.若所用激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是（    ）

A. v=λ△x/l△t      B. v= lλ/△x△t   C. v= l△x/λ△t      D. v= l△t/λ△x

解析　根据公式△x=lλ/d，其中d=v△t，可得v= lλ/△x△t，所以选项B正确. 这是利用了激光的相干性好的特点.

三、激光的干涉

例6．一般认为激光器发出的是频率为ν的“单色光”，实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率ν是它的中心频率，它所包含的频率范围是△ν（也称频率宽度），如图3所示，让单色光照射到薄膜表面a，一部分光从前表面反射回来（这部分光称为甲光）；其余的光进入薄膜内部，其中的一小部分光从薄膜后表面b反射回来，再从前表面折射出（这部分光称为乙光）.当甲、乙两部分光相遇叠加而发生干涉，称为薄膜干涉.乙光与甲光相比，要在薄膜中多传播一小段时间△t.理论和时间都证明，能观察到明显稳定的干涉现象的条件是：△t的最大值△t_m与△ν的乘积近似等于1，即只有满足△t_m·△ν≈1才会观察到明显稳定的干涉现象.

已知某红宝石激光器发出的激光频率ν=4.32×10¹⁴Hz，它的频率宽度△ν=8.0×10⁹Hz，让这束激光由空气斜射到折射率的薄膜表面，入射时与液膜表面成45°角，如图1所示.

（1）求从O点射入薄膜中的光的传播速度

（2）估算在如图1所示的情况下，能观察到明显稳定的干涉现象的液膜的最大厚度d_m

解析  （1）由折射率n=c/v得射入薄膜中的光的速率v=2.12×10⁸m/s .（2）由光的折射定律得.设乙光在薄膜中传播时间的最大值为△t_m，对应的最大厚度为d­_m，则，根据题中所给条件得△t_m·△ν≈1.联立解得d­_m=1.15×10^-2m.

说明 本题先考查介质中光速的计算，及光的折射定律，又在光的干涉条件的基础上进一步提出了能明显观察到光的干涉现象的条件，这样不仅是设置了一个情景，同时又解决了一个疑问：为什么一般的玻璃镜前、后表面都有反射光，而看不到光有干涉现象，原因就是不能符合题中所述△t_m·△ν≈1这个条件.设置这个条件，同时结合光在薄膜中以45°角入射并在薄膜中经过折射、反射、再折射的过程，建方程组联立解题.本题结合实际情况，本题中考查了光速计算、折射定律的应用、干涉形成的条件，既考查了基本知识，又考查了在新情景下应用学过的知识解决新问题的能力，本题综合性强，区分度也很好.

四、我国在激光领域的发展

例7．我国在量子光学方面的研究自上世纪80年代才逐渐开始，虽然起步较晚，但发展很快，中国科学院上海光学精密机械研究所在一个不到10m²的光学平台上，在35fs（fs是一种时间单位，读做飞秒，1fs=10^-15s）的超短瞬间内获得了15×10¹²W的超强激光束.这一瞬时功率相当于全世界所有电网功率总量的数倍.据了解，自然界中类似的极端物理条件，只有在核爆中心、恒星内部以及黑洞边缘才能找到.在实验室中用人工手段获得这种条件，意味着人类在激光研究领域将进入一个前所未有的超强超快的境界.通过以上叙述，计算在这35fs中所释放的激光能量为多少J？         

解析  光子能量E=Pt=15×10²²×35×10^-15J=0.525J.

例8．神光“Ⅱ”装置曾是我国规模最大、国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光.已知普朗克恒量h=6.63×10^-34J·s，则该紫外激光所含的光子数为多少个？（取两位有效数字）

解析　每个紫外激光光子的能量为E₀=hv=hc/λ，能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光的个数n=E/E₀=Eλ/hc≈4.2×10²¹（个）.