【万万没想到】激光,世界上最强的光

公司产品 | 2019-01-31 08:25

对于科幻电影迷来说,《星球大战》绝对是一个划时代的史诗级作品。电影为我们展现了一个令人叹为观止的世界。其中的武器——光剑,也成了电影史上最著名的武器之一。神奇的电影世界也引发了人们的遐想,激光究竟有着怎样的威力?激光是否真的能变成杀伤力惊人的武器呢?让我们一起来揭开激光的神秘面纱吧。

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什么是激光?产生原理是什么?

激光即原子受激辐射产生的光,是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的人造光。1917年,爱因斯坦在解释黑体辐射定律时提出假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。爱因斯坦的假说为激光的产生提供了理论基础。

我们已经知道,激光和普通光的不同之处在于前者是受激辐射产生,后者是自发辐射产生。但是什么是受激吸收、受激辐射和自发辐射呢?

首先我们要明确,任何一种光源的发光都与其内部微观粒子(原子、分子或离子)的运动状态有关。任意时刻,粒子都只能处在某一个能级上。当粒子从高能级跃迁到低能级时辐射光子,释放光。

受激吸收:粒子处在某一个低能级(E1)上。当受到能量等于高低两个能级的能量差(hν=E2-E1)的光子照射时,粒子就有可能吸收光子的能量,被激发而跃迁到相应的高能级(E2)上。这个过程叫做受激吸收。

自发辐射:高能级的粒子是不稳定的。在没有外界影响的情况下,粒子自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为hν=E2-E1的光子。这个过程叫做自发辐射。

此时被释放的光即为普通的光(如白炽灯、电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。

受激辐射:处于高能级(E2)的粒子,受到能量等于高低两个能级的能量差(hν=E2-E1)的光子照射时,有可能从高能级(E2)向低能级(E1)跃迁时,并且向外辐射一个与入射光子频率、相位、偏振方向都相同的光子。这个过程叫做受激辐射。

如上图所示,受激辐射射出的光子与外来刺激的光子在频率、发射方向、相位及偏振状态等方面完全相同。这就意味着外来光得到了加强,即光放大。

显然,如果通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(此状态称为粒子数反转),这种光的放大现象就越明显,这时就有可能形成激光了。

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激光器的诞生

自1917年爱因斯坦提出受激辐射理论后,许多科学家致力于研制激光器,实现人类创造激光的梦想。1951年,美国物理学家汤斯认为,用热或电的方法,让光处于激发状态,可以用微波诱导它们发射出很强的“受激微波”。他反复实验,两年后成功实现了这个想法。

1960年美国科学家梅曼加以改进,利用高强闪光灯光管来激发红宝石,由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。

在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱——波长为694.3纳米可实用的激光,当它射向某一点时,可产生极高的温度。人类历史上第一台激光器诞生了。

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激光的特性

受激辐射的光放大机理,赋予了激光许多普通光没有的特性。总的来说,可以归纳为四点:方向性好、能量集中、单色性好、相干性强

>>>>方向性好

激光的方向性好主要是由受激辐射的光放大机理和激光器的光学共振腔的方向限制作用决定的。由于受激辐射所产生的光子是相同的,所以光线行进的方向相当一致。

而激光器的共振腔把光线用反射镜局限在一个特定的范围内,让光线可以来回反射。拥有跟共振腔相同方向的光线被放大,从而使光线行进的方向完全相同。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。

>>>>能量集中

良好的方向性,使激光的能量可以集中。普通光源(如白炽灯)发出的光,射向四面八方,能量分散。而激光由于方向性好,所以能量能高度集中。一般功率在250mV以上激光,可以轻易点燃火柴、鞭炮、塑料材质等易燃品。

>>>>单色性好

激光最接近单色光,所谓单色光,即单一频率(或波长)不能产生色散的光。激光的单色性比普通光高约1010倍。

>>>>相干性强

相干性是指为了产生显著的干涉现象,波所需具备的性质(振动频率相同、相差恒定)。普通光源发光是自发辐射的过程,粒子各个波列之间没有固定的相位关系,振动方向与频率也不尽相同。

所以普通光源发出的光不是相干光。激光的发光机理是受激辐射,各波列之间都具有确定的相位关系,发出的光是相干光,所以激光有很强的相干性。

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激光技术的应用

作为20世纪继核能、电脑、半导体之后的又一重大发明,激光凭借方向性好、能量集中等特点,化身为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,广泛应用到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面。让我们一切来看看激光技术的应用吧。

>>>>最快的刀

在工业领域,常用激光束照射工件,使材料迅速熔化气化,实现对工件穿孔,切割和焊接等加工。目前已开发出20多种激光加工技术,包括激光切割、激光打孔、激光焊接、激光光刻与存储等技术,广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门。

激光切割机切割铝板

在医疗领域,激光手术刀也有它的独到之处。激光手术刀的刀刃就是激光束聚集起来的焦点,焦点可以小到0.1毫米,焦点上的功率密度达到每平方厘米10万瓦。

这样的光“刀”所到之处,不管是皮肤、肌肉,还是骨头,都会迎刃而解。用功率为50瓦的激光“刀”后,切开皮肤的速度为每秒钟10厘米左右,切缝深度约1毫米,和普通手术刀差不多。

医生运用“激光刀”演示胸腔镜肺切除等微创手术

>>>>最准的尺

激光测距是激光最常见的应用之一,激光测距的误差是其他光学测距仪的五分之一至数百分之一。目前,激光测距广泛用于军队的侦察测量和武器火控系统。20世纪60年代末,激光测距仪开始装备部队,现已研制生产出多种类型,测距精度良好。

我国“天戈”系列激光制导导弹,对20千米内的目标,误差不超过三米

>>>>最亮的光

激光被称为最亮的光,是因为它的光束能平行向一个方向发散,且几乎不衰减,亮度非常高,最亮时甚至比太阳还要亮100亿倍。高亮度的激光也代表着非常大的能量,在台式化加速器、核物理、核医学等诸多领域皆有重大应用价值。

例如高亮度的激光可用于研制基于小型化激光质子加速器的激光质子刀,治疗癌症,还可以用于产生反物质,研究天体物理和宇宙起源,甚至在将来,还可用于真空结构和暗物质的探测。

激光虽然不能变成电影里无坚不摧的光剑,但也在社会生活的方方面面发挥着巨大的作用。除了以上提到的激光技术外,光纤通信,激光医疗等技术也在蓬勃发展。未来将会有更多的激光技术应用于我们的生活中。