3　光的衍射与偏振
4　激　光
1．知道光通过狭缝和圆孔的衍射现象．
2．知道观察到明显衍射的条件．
3．知道振动中的偏振现象，了解什么是偏振现象，知道偏振是横波的特点．
4．知道偏振光和自然光的区别，知道偏振光在实际生活中的应用．
5．了解激光的特点及其应用，知道激光和自然光的区别．
一、光的衍射
光的衍射现象
    光在遇到障碍物时，偏离            传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射．
    光的衍射现象进一步证明光是一种波．
直线
衍射图样
(1)单缝衍射：中央为      条纹，向两侧有明暗相间的条纹，但间距和亮度不同．白光衍射时，中央仍为白光，最靠近中央的是紫光，最远离中央的是红光．
(2)圆孔衍射：明暗相间的               圆环．
(3)泊松亮斑：光照射到一个半径很小的圆板后，在圆板的阴
影             出现的亮斑．
亮
不等距
中心
二、光的偏振
1．光的偏振现象：在垂直于传播方向的平面上，光只沿着                 振动的现象．
2．偏振光：在跟光传播方向垂直的平面内，光振动在某一方向较强而在另一些方向振动          的光即为偏振光．
3．自然光：太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上                           的光，而且沿各个方向振动的光波的强度                   ，这种光叫自然光．
4．光的偏振现象证明光是           波
某个特定方向
较弱
沿一切方向振动
都相同
横
三、激光具有的特点
强度大
    强度可达1017 W/cm2，用于热核反应实验的激光器的脉冲平均功率已达1014 W，可产生108 K的高温．
方向性好
    激光光束的发散角在毫弧度数量级，由氦氖激光器发射到3.8×105 km的月球上的激光束，其光照面直径也只有2 km左右．
    单色性好
    比普通光源中单色性最好的氦灯的单色性提高四五个数量级．
相干性好
    一束激光的频率相同，振动情况完全相同，是最好的相干光，从而能使我们较好的研究光的干涉和衍射．
覆盖波段宽而且可调谐
    可获得以X射线到远红外波段的激光，并可调谐和调制．
四、激光的应用
激光加工
激光全息照相
激光检测
激光通信
激光医学
激光照排
光盘的写入、读出
一、光的衍射
对“光沿直线传播的理解”
    光的直线传播是一种近似的规律，可从以下两个方面去理解：
    (1)多数情况下，光照到较大的障碍物或小孔上时是按沿直线传播的规律传播的，在它们的后面留下阴影或光斑．如果障碍物、缝或小孔都小到与照射光的波长差不多(或更小)，光就表现出明显的衍射现象，在它们的后面形成泊松亮斑、明暗相间的条纹或圆环．
(2)光是一种波，衍射是它基本的传播方式，但在一般情况下，由于障碍物都比较大(比起光的波长来说)，衍射现象很不明显，光的传播可近似地看作是沿直线传播．所以，光的直线传播只是近似规律．
三种衍射现象和图样特征
(1)单缝衍射
①中央条纹最亮、越向两边越暗，条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小．
②缝变窄，通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．
③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关．入射光波长越长，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．
④用白光做单缝衍射时，中央亮条纹是白色的，两边是彩色条纹，中央亮条纹仍然最宽最亮．
(2)圆孔衍射
①中央是大且亮的圆形亮斑，周围分布着明暗相间的同心圆环，且越靠外，圆形亮条纹的亮度越弱，宽度越小．
②圆孔越小，中央亮斑的直径越大，同时亮度越弱．
③用不同色光照射圆孔时，得到的衍射图样的大小和位置不同，波长越长，中央圆形亮斑的直径越大．
④白光的圆孔衍射图样中，中央是大且亮的白色光斑，周围是彩色同心圆环．
(3)不透明的小圆板衍射
①与圆孔衍射图样比较
a．均是明暗相间的圆形条纹，中心均有亮斑．
b．圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小．
c．圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小．
d．圆孔衍射图样的外侧是黑暗的，而小圆板衍射图样的外侧是明亮的．
②泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小．
    单缝衍射和双缝干涉有何异同？
特别提醒 衍射是一种普遍现象．只是障碍物的尺寸比光的波长大得多时，衍射现象不明显，障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显．所以前面所说的衍射产生条件应是产生明显衍射现象的条件．
二、自然光与光的偏振
自然光
    太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这样的光称为自然光．
    从普通光源直接发出的自然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏向哪一个方向．
如图5-3、4-1所示，普通光源发出的光经过偏振片时，后面的光屏是明亮的，说明光透过了偏振片，若转动偏振片，光屏上亮度不变，说明透光强度不变，可知自然光沿各个方向振动的光波强度都相同．
图5-3、4-1
偏振片是由特殊材料制成的，其“狭缝”用肉眼不能看见，它只允许振动方向与“狭缝”平行的光波通过．通过偏振片后，自然光就变成了线偏振光．
线偏振光
在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动的光称线偏振光．
如经过偏振片后的自然光是线偏振光，若线偏振光再经过一个偏振片后，情况会怎样呢？如图5-3、4-2甲所示，当两偏振片的“狭缝”平行时，光屏上仍有亮光．透射光的强度最大．但是，比通过一块偏振片时要弱．当两偏振片的“狭缝”相互垂直时，透射光的强度最弱几乎为零，光屏上是暗的．如图5-3、4-2乙所示．
图5-3、4-2
获得线偏振光的两种方式
(1)让自然光通过偏振片．
(2)自然光射到两种介质的交界面上，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°，反射光和折射光都是偏振光，且线偏振方向相互垂直．
平时我们所看到的光，除直接从光源射来的以外都是线偏振光．
三、激光的产生、特性及应用
普通光源的发光机理及特点
    (1)发光机理：光是从物质的原子中发射出来，原子获得能量后处于不稳定状态，它会以光的形式把能量发射出去．
    (2)特点：普通光源(如白炽灯丝)中的原子在什么时候发光，朝哪个方向发光都是不确定的，发出的光的频率也不一样，这样的光在叠加时就不能发生干涉，是非相干光．
激光和激光的产生
(1)激光的特性
激光是原子的受激辐射产生的光．发光的方向、频率、偏振方向均相同，两列相同激光相遇可以发生干涉，激光是相干光．激光是人工产生的光．能达很高的强度．
(2)激光的产生
在现代科学技术中用多次反射和折射起偏能够在激光器内产生振荡而发出激光．
激光是一种特殊的光，自然界中的发光体不能发出激光.1958年，人类在实验室里首次发射出了激光．
激光的应用举例与对应的特性
(1)激光雷达．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．结合发射的方向，就可探知目标的方位和距离，结合多普勒效应，还可以求出目标的运动速度．(利用激光的方向性好)
(2)激光读盘．激光的平行度很好，可以会聚到很小的一点．让会聚点照射VCD碟片、CD碟片、计算机的光盘上，就可读出光盘上记录的信息．(利用激光的方向性好)
(3)医用激光刀．可以用于医疗的某些手术上，具有手术时间短，损伤小，不会引起细菌感染，止血快等优点．(利用激光的强度高)
(4)切割金属等难熔物质．用激光可以产生几千万度的高温，使最难熔的物质也可在瞬间汽化．(利用激光的强度高)
(5)激光育种．用激光照射植物的种子，会使植物产生有益的变异，用于培育新品种．(利用激光的强度高)
(6)引起核聚变．使聚变能在控制前提下进行．(利用激光强度高)
(7)激光可以作为武器使用，用以击毁侦察卫星、飞行的导弹、飞机、装甲车等．(利用激光的强度高)
(8)作为干涉、衍射的光源．干涉、衍射现象明显．(利用其单色性好)
【典例1】 一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板，在薄板后的光屏上呈现明暗相间的干涉条纹．现将其中一条窄缝挡住，让这束红光只通过一条窄缝，则在光屏上可以看到
(　　)．
    A．与原来相同的明暗相间的条纹，只是明条纹比原来暗些
    B．与原来不相同的明暗相间的条纹，而中央明条纹变宽些
    C．只有一条与缝宽对应的明条纹
    D．无条纹，只存在一片红光
对光的衍射现象的理解
解析　开始产生了干涉现象，说明两缝都很窄，能够满足使红光发生明显衍射的条件，挡住一缝后，在屏上得到的是单缝衍射图样．衍射图样和干涉图样的异同点：中央都出现明条纹，但衍射图样中央明条纹较宽，两侧都出现明暗相间的条纹；干涉图样为等间隔的明暗相间的条纹，而衍射图样两侧为不等间隔的明暗相间的条纹且亮度迅速减弱．所以本题正确答案为B.
答案　B
借题发挥　该题考查了发生干涉现象和衍射现象的条件，同时也考查了干涉条纹和衍射条纹的区别．
(1)双缝是干涉，条纹间距相等，且亮度基本相等．
(2)单缝是衍射，条纹间距不相等．中央亮条纹最宽，两侧为不等间距的明暗相间的条纹，中央条纹最亮．
【变式1】
    在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是        (　　)．
    A．将入射光由黄色换成绿色，衍射条纹间距变窄
    B．使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
    C．换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
    D．增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
解析　当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽．故选项A、C、D正确．
答案　ACD
对偏振现象的理解
图5-3、4-3
借题发挥　本题考查自然光和线偏振光的特征，以及线偏振光的获得方法．在P转动过程中，A处都有光亮，且强度不变，只是当P和Q偏振方向相同时，B处光亮最大．
【变式2】
    如图5-3、4-4所示，夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照得睁不开眼，严重影响行车安全．若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向正好与灯光的振动方向垂直，但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体．假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，如下措施中可行的是                (　　)．
图5-3、4-4
A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的
B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是竖直的
C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D．前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
解析　若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平的话，从车灯发出的照射到物体上反射的光线将不能透过前窗玻璃，司机面前将是一片漆黑，所以A错；若前窗玻璃与车灯玻璃的透振方向均竖直，则对面车灯的光仍能照得司机睁不开眼，B错；若前窗玻璃透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向斜向左上45°，则车灯发出的光经物体反射后无法透振进本车车窗内，却可以透振进对面车窗内，C错．正确的措施是D.
答案　D
【典例3】 下列说法中正确的是                (　　)．
    A．激光是自然光被放大而产生的
    B．激光是原子受激辐射而得到的加强光
    C．激光的能量一定大于其他光的能量
    D．激光的传播速度比普通光大
激光的特点及其应用
解析　激光是由人工产生的光，它是由于原子受到激发而产生的，它具有平行度好、相干性强和强度大的特点，其传播速度仍然是光速．
答案　B
借题发挥　激光的能量能够集中地辐射出来，因此强度大，但不一定比其他光的能量大．
【变式3】
    关于激光与自然光，下列说法正确的是        (　　)．
    A．激光是只含一种频率的光，而自然光是含有各种色光频率的光，所以激光的相干性好
    B．自然光是由物质的原子发射出来的，而激光是人工产生的，所以激光不是由物质的原子发射出来的
    C．激光和自然光都具有相同的电磁本质，它们都是电磁波
    D．相干性好是激光与普通光的根本区别
解析　激光的频率也有一定的范围，不能错误地理解激光单色性好的含义，所有的光都是由物质的原子发射的，故A、B错误．
答案　CD
激光制导炸弹
         激光制导炸弹，顾名思义，就是与常规自由落体炸弹相比，这种炸弹利用激光的直线传播特性进行制导，以增强炸弹落点的精确度．具体过程为，载机借助于“激光目标指示器”，把激光束投射到目标上，激光束在目标表面产生漫反射，总会有一部分激光反射到激光制导炸弹上，被炸弹的“寻的器”所接收，然后通过控制系统进行换算，再控制炸弹的飞行舵调整炸弹航向，直至精确命中目标．这种激光制导的方式，就像给各种炸弹安上了“眼睛”和“大脑”，就像放出猎狗追兔子一样，紧紧盯住目标，穷追不放，直到将目标摧毁.
激光制导炸弹虽然有许多优势，但是劣势也不可避免．例如，激光制导炸弹不能在复杂的气象条件下使用，云雾雨雪都会严重影响激光传播，烟雾、水幕、沙尘都会衰减激光能量，影响激光制导炸弹的正常使用．另外，激光制导炸弹是一种“点穴式”的精确打击武器，难以进行大面积轰炸．非编码激光制导炸弹攻击聚集在一起的多目标时，同时发射的激光会互相干扰，往往会出现误炸、重炸、漏炸，所以激光制导炸弹往往是出动小编队，单独使用，这就使火力强度不足，编队容易遭到数量优势的敌人进攻．而激光制导炸弹投下后，激光照射飞机不能离开，必须在目标上空盘旋，使用激光指示器照射目标，这也使得激光照射飞机极易遭到攻击，载机生存率降低．
【典例4】 关于激光在以下用途中的说法正确的是    (　　)．
    A．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物，它是利用激光具有相干性，它像无线电波一样能调制，用来传递信息
    B．按照信息论的理论，电磁波的频率越高，它所携带的信息量越大，用激光可以比无线电波传递更多的信息
    C．在战争中，常用激光制导炸毁目标，这是由于激光平行度高，方向性强，在传播很远后仍保持一定强度，指示目标准确
    D．激光在医学上当做“光刀”进行手术，利用的是激光“强度大”这一特点
解析　由激光的特点及应用可知A、B、C、D均正确．
答案　ABCD