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关注激光武器:一束光的梦想与现实

来源: 解放军报  作者: 王握文 孙程浩 娄兆凯  责任编辑: 衣兵


  激光一经产生,便立刻发出了绚丽的光芒,照进了人类的生活。国防科技大学孙晓泉研究员为您讲述——

  一束光的梦想与现实

  ■解放军报记者 王握文 通讯员 孙程浩 娄兆凯

  “神奇之光”的神奇之处

  激光是20世纪以来继量子物理学、核能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。因为它是原子受激辐射发出的光,所以称为“激光”。

  激光原本在自然界并不存在,它的诞生最早来自爱因斯坦在解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射3种基本途径。其中,受激辐射可使一个光子先后激发出很多个性质相同的光子,频率和步调整齐一致,从而出现一束弱光最终激发出强光的现象,即“受激辐射的光放大”。这就是爱因斯坦的“受激辐射”理论,他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性。因此,物理界将激光产生机理溯源于爱因斯坦的假说。这样算来,激光至今已有了上百年历史。

  从1916年爱因斯坦提出“受激辐射”理论,到1960年人类获得第一束激光、世界上第一台激光器诞生,整整用了43年。可见,科学家为了获得这束光是多么艰难而漫长。最难得到的往往都是最好的,激光更是这样,它一经问世,便被誉为“神奇之光”。那么,它有何神奇之处呢?

  定向发光,方向性好。普通光源是向四面八方发光,如果要让其朝一个方向照射,必须给光源装上一个聚光装置,如探照灯。激光天生就是朝一个方向发光,发散角非常小,方向集中,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,在相隔约38万千米远的月球表面上,其光斑直径不到两公里。

  亮度极高,能量密度大。普通光源中,太阳的亮度最高,而激光与太阳光相比,亮度要高百亿倍,是目前最亮的光。激光器发射大量光子,短时间里聚集巨大能量,聚焦一点可产生百万甚至上千万摄氏度的高温。

  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调一致,其横截面上各点间有固定的相位关系,具有很好的空间相干性,成为最好的相干光源,而普通光的光波并不同步,属于非相干光。

  颜色极纯,单色性好。普通光源发射的光子,波长(或频率)各不相同,不同波长对应有不同颜色。而激光不仅波长(或频率)基本一致,且谱线宽度很窄,因此,它是一种颜色极纯的单色光。

  生活中无处不见的应用

  自从人类发现了激光,特别是激光器的诞生,它便以其无与伦比的优越性在各个领域得到广泛应用。从1961年首次在外科手术应用激光杀灭视网膜肿瘤,到今天激光焊接、激光测距、激光雕刻、激光通信、激光医疗等,已广泛应用于工业生产、信息处理、医疗卫生、文化教育、影视艺术以及科学研究等诸多领域,带来了一系列令人难以置信又不得不信的变革性突破。

  在工业领域,运用激光束能量集中的优点切割材料,激光束将切割线部位熔化,同时将熔化材料吹走,切割面平整而光滑。采用短脉冲激光对材料表面快速作用进行激光清洗,可将铁锈、油漆、氧化膜等一扫而光。利用激光束高密度能量等特点,还创造出激光焊接、熔覆、雕刻、打标、打孔、3D打印等新技术。用激光作为测距光源,可测距离远且精度极高。在信息通信领域,一条用激光传送信号的光缆,可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量,且保密性好、抗干扰能力强。在医疗卫生方面,常见的有激光手术、激光碎结石、激光矫视、激光美容等。因此,它被称为是“最亮的光”“最快的刀”“最准的尺”。

  随着技术进步和工艺水平的提高,未来激光器将朝着脉冲速度更快、平均功率更高、光束质量更好、谱线宽度更窄的方向发展。近年来,该领域正朝着可调谐固体激光器、超快光纤激光器、大能量紫外激光器应用等激光加工和激光感知方向快速发展,在信息技术、新能源、新材料、智能制造、生物医疗、电子及航空航天等方面的应用越来越广泛,发挥出巨大的创新驱动作用。

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