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“神奇之光”的神奇之處
激光是20世紀以來繼量子物理學、核能、計算機、半導體之后,人類的又一重大發(fā)明。因為它是原子受激輻射發(fā)出的光,所以稱為“激光”。
激光原本在自然界并不存在,它的誕生最早來自愛因斯坦在解釋黑體輻射定律時提出的假說,即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射3種基本途徑。其中,受激輻射可使一個光子先后激發(fā)出很多個性質(zhì)相同的光子,頻率和步調(diào)整齊一致,從而出現(xiàn)一束弱光最終激發(fā)出強光的現(xiàn)象,即“受激輻射的光放大”。這就是愛因斯坦的“受激輻射”理論,他從理論上預言了原子發(fā)生受激輻射的可能性。因此,物理界將激光產(chǎn)生機理溯源于愛因斯坦的假說。這樣算來,激光至今已有了上百年歷史。
從1916年愛因斯坦提出“受激輻射”理論,到1960年人類獲得第一束激光、世界上第一臺激光器誕生,整整用了43年??梢?,科學家為了獲得這束光是多么艱難而漫長。最難得到的往往都是最好的,激光更是這樣,它一經(jīng)問世,便被譽為“神奇之光”。那么,它有何神奇之處呢?
定向發(fā)光,方向性好。普通光源是向四面八方發(fā)光,如果要讓其朝一個方向照射,必須給光源裝上一個聚光裝置,如探照燈。激光天生就是朝一個方向發(fā)光,發(fā)散角非常小,方向集中,接近平行。1962年,人類第一次使用激光照射月球,在相隔約38萬千米遠的月球表面上,其光斑直徑不到兩公里。
亮度極高,能量密度大。普通光源中,太陽的亮度最高,而激光與太陽光相比,亮度要高百億倍,是目前最亮的光。激光器發(fā)射大量光子,短時間里聚集巨大能量,聚焦一點可產(chǎn)生百萬甚至上千萬攝氏度的高溫。
相位一致,相干性好。相干性是所有波的共性,激光的所有光子都相同且步調(diào)一致,其橫截面上各點間有固定的相位關(guān)系,具有很好的空間相干性,成為最好的相干光源,而普通光的光波并不同步,屬于非相干光。
顏色極純,單色性好。普通光源發(fā)射的光子,波長(或頻率)各不相同,不同波長對應有不同顏色。而激光不僅波長(或頻率)基本一致,且譜線寬度很窄,因此,它是一種顏色極純的單色光。
生活中無處不見的應用
自從人類發(fā)現(xiàn)了激光,特別是激光器的誕生,它便以其無與倫比的優(yōu)越性在各個領(lǐng)域得到廣泛應用。從1961年首次在外科手術(shù)應用激光殺滅視網(wǎng)膜腫瘤,到今天激光焊接、激光測距、激光雕刻、激光通信、激光醫(yī)療等,已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、影視藝術(shù)以及科學研究等諸多領(lǐng)域,帶來了一系列令人難以置信又不得不信的變革性突破。
在工業(yè)領(lǐng)域,運用激光束能量集中的優(yōu)點切割材料,激光束將切割線部位熔化,同時將熔化材料吹走,切割面平整而光滑。采用短脈沖激光對材料表面快速作用進行激光清洗,可將鐵銹、油漆、氧化膜等一掃而光。利用激光束高密度能量等特點,還創(chuàng)造出激光焊接、熔覆、雕刻、打標、打孔、3D打印等新技術(shù)。用激光作為測距光源,可測距離遠且精度極高。在信息通信領(lǐng)域,一條用激光傳送信號的光纜,可以攜帶相當于2萬根電話銅線所攜帶的信息量,且保密性好、抗干擾能力強。在醫(yī)療衛(wèi)生方面,常見的有激光手術(shù)、激光碎結(jié)石、激光矯視、激光美容等。因此,它被稱為是“最亮的光”“最快的刀”“最準的尺”。
隨著技術(shù)進步和工藝水平的提高,未來激光器將朝著脈沖速度更快、平均功率更高、光束質(zhì)量更好、譜線寬度更窄的方向發(fā)展。近年來,該領(lǐng)域正朝著可調(diào)諧固體激光器、超快光纖激光器、大能量紫外激光器應用等激光加工和激光感知方向快速發(fā)展,在信息技術(shù)、新能源、新材料、智能制造、生物醫(yī)療、電子及航空航天等方面的應用越來越廣泛,發(fā)揮出巨大的創(chuàng)新驅(qū)動作用。
軍事應用方興未艾
你相信嗎?一束總能量不足以煮熟一個雞蛋的激光,能穿透3毫米厚的鋼板。
激光束能量瞬間高度集中的這一特點,使得它在軍事領(lǐng)域有了用武之地。1983年,時任美國總統(tǒng)里根在談到“星球大戰(zhàn)”時,第一次描繪了基于太空的激光武器,從此,激光武器走進人們的視野。此后,美國、俄羅斯、法國、以色列等國憑借其科技優(yōu)勢,在激光武器研究方面不斷取得進展,多種激光武器和激光制導武器不斷問世。
激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標或使其失效的定向能武器。它主要由激光器和跟蹤、瞄準、發(fā)射裝置等部分組成,其主要特點,一是攻擊速度極快,激光束可以每秒30萬公里速度向目標發(fā)射;二是攻擊功率高,短時間內(nèi)集中的能量,遠遠超過相同時間核武器釋放的能量,對目標進行遠距離毀傷,卻不會產(chǎn)生放射性污染;三是不受電磁干擾,可以靈活地改變方向,實現(xiàn)快速、精確打擊。
根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同,激光武器可分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器,根據(jù)能量大小,又相對應地分為低能和高能激光武器。
戰(zhàn)術(shù)激光武器以激光作為能量,可像常規(guī)武器那樣直接擊毀火箭彈、無人機等武器或敵方光電設備,如激光槍和激光炮。戰(zhàn)略激光武器則主要用于擊毀洲際導彈、致盲或摧毀衛(wèi)星等,自上世紀70年代以來,美俄兩國以多種名義進行了數(shù)十次反衛(wèi)星激光武器試驗。近年來,高能激光武器研制取得長足進步。2017年,美國研制的名為“雅典娜”的地面機動式、大功率光纖激光武器,在測試中成功擊落了5架無人機,驗證了其對空中目標的殺傷力。德國研制的高能激光武器系統(tǒng)“天空衛(wèi)士”,在測試中成功擊落了以每秒50米速度飛行的無人機,燒穿了1千米外、15毫米厚的裝甲鋼板,效果“出奇的好”。今年3月1日,俄羅斯宣布在新一代高能激光武器系統(tǒng)的研發(fā)上取得重大進展,并公布了新型機動型高能激光武器系統(tǒng)的影像資料。
其實,激光在軍事領(lǐng)域的應用遠不止這些。如有著自主導航系統(tǒng)“CPU”之譽的激光陀螺,它可以使飛機、艦船、火箭、導彈等運動載體不依賴外部導航信息,實現(xiàn)精確定位、精確控制、精確打擊,但激光陀螺的研制與生產(chǎn)難度極大,工藝要求也高。此外,還有激光雷達、激光制導、激光模擬訓練器材等。
前不久,2018年諾貝爾物理學獎揭曉,來自美國、法國和加拿大的科學家共同獲得該獎,以表彰他們在激光物理領(lǐng)域的突破性貢獻。
“一束光”的研究與發(fā)明成果先后10次獲得諾貝爾物理學獎,它的廣泛應用更是帶來了一系列突破性創(chuàng)新,演繹著無數(shù)的光榮與夢想。
【專家簡介】
孫曉泉,國防科技大學電子對抗學院研究員、博士生導師,從事激光應用技術(shù)教學科研工作30余年,先后主持軍內(nèi)外科研課題10余項,獲重大科技獎勵10余項。