激光一經(jīng)產(chǎn)生，便立刻發(fā)出了絢麗的光芒，照進(jìn)了人類(lèi)的生活。國(guó)防科技大學(xué)孫曉泉研究員為您講述——一束光的夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)

“神奇之光”的神奇之處

激光是20世紀(jì)以來(lái)繼量子物理學(xué)、核能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明。因?yàn)樗�是原子受激輻射發(fā)出的光，所以稱(chēng)為“激光”。

激光原本在自然界并不存在，它的誕生最早來(lái)自愛(ài)因斯坦在解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說(shuō)，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(gè)光子先后激發(fā)出很多個(gè)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(qiáng)光的現(xiàn)象，即“受激輻射的光放大”。這就是愛(ài)因斯坦的“受激輻射”理論，他從理論上預(yù)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(jī)理溯源于愛(ài)因斯坦的假說(shuō)。這樣算來(lái)，激光至今已有了上百年歷史。

從1916年愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”理論，到1960年人類(lèi)獲得第一束激光、世界上第一臺(tái)激光器誕生，整整用了43年�？梢�(jiàn)，科學(xué)家為了獲得這束光是多么艱難而漫長(zhǎng)。最難得到的往往都是最好的，激光更是這樣，它一經(jīng)問(wèn)世，便被譽(yù)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(gè)方向照射，必須給光源裝上一個(gè)聚光裝置，如探照燈。激光天生就是朝一個(gè)方向發(fā)光，發(fā)散角非常小，方向集中，接近平行。1962年，人類(lèi)第一次使用激光照射月球，在相隔約38萬(wàn)千米遠(yuǎn)的月球表面上，其光斑直徑不到兩公里。

圖片:timg (11).jpg

激光武器發(fā)射平臺(tái)，配圖來(lái)自網(wǎng)絡(luò)。

亮度極高，能量密度大。普通光源中，太陽(yáng)的亮度最高，而激光與太陽(yáng)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(shí)間里聚集巨大能量，聚焦一點(diǎn)可產(chǎn)生百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)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(diǎn)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(zhǎng)（或頻率）各不相同，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)有不同顏色。而激光不僅波長(zhǎng)（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(wú)處不見(jiàn)的應(yīng)用

自從人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了激光，特別是激光器的誕生，它便以其無(wú)與倫比的優(yōu)越性在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從1961年首次在外科手術(shù)應(yīng)用激光殺滅視網(wǎng)膜腫瘤，到今天激光焊接、激光測(cè)距、激光雕刻、激光通信、激光醫(yī)療等，已廣泛應(yīng)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(xué)研究等諸多領(lǐng)域，帶來(lái)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(yùn)用激光束能量集中的優(yōu)點(diǎn)切割材料，激光束將切割線部位熔化，同時(shí)將熔化材料吹走，切割面平整而光滑。采用短脈沖激光對(duì)材料表面快速作用進(jìn)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(diǎn)，還創(chuàng)造出激光焊接、熔覆、雕刻、打標(biāo)、打孔、3D打印等新技術(shù)。用激光作為測(cè)距光源，可測(cè)距離遠(yuǎn)且精度極高。在信息通信領(lǐng)域，一條用激光傳送信號(hào)的光纜，可以攜帶相當(dāng)于2萬(wàn)根電話銅線所攜帶的信息量，且保密性好、抗干擾能力強(qiáng)。在醫(yī)療衛(wèi)生方面，常見(jiàn)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(chēng)為是“最亮的光”“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”。

隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝水平的提高，未來(lái)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(lái)，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(yīng)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(yīng)用越來(lái)越廣泛，發(fā)揮出巨大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)作用。

軍事應(yīng)用方興未艾

你相信嗎？一束總能量不足以煮熟一個(gè)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(diǎn)，使得它在軍事領(lǐng)域有了用武之地。1983年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)里根在談到“星球大戰(zhàn)”時(shí)，第一次描繪了基于太空的激光武器，從此，激光武器走進(jìn)人們的視野。此后，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、以色列等國(guó)憑借其科技優(yōu)勢(shì)，在激光武器研究方面不斷取得進(jìn)展，多種激光武器和激光制導(dǎo)武器不斷問(wèn)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(biāo)或使其失效的定向能武器。它主要由激光器和跟蹤、瞄準(zhǔn)、發(fā)射裝置等部分組成，其主要特點(diǎn)，一是攻擊速度極快，激光束可以每秒30萬(wàn)公里速度向目標(biāo)發(fā)射；二是攻擊功率高，短時(shí)間內(nèi)集中的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)相同時(shí)間核武器釋放的能量，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離毀傷，卻不會(huì)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(shí)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(duì)應(yīng)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(wú)人機(jī)等武器或敵方光電設(shè)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(dǎo)彈、致盲或摧毀衛(wèi)星等，自上世紀(jì)70年代以來(lái)，美俄兩國(guó)以多種名義進(jìn)行了數(shù)十次反衛(wèi)星激光武器試驗(yàn)。近年來(lái)，高能激光武器研制取得長(zhǎng)足進(jìn)步。2017年，美國(guó)研制的名為“雅典娜”的地面機(jī)動(dòng)式、大功率光纖激光武器，在測(cè)試中成功擊落了5架無(wú)人機(jī)，驗(yàn)證了其對(duì)空中目標(biāo)的殺傷力。德國(guó)研制的高能激光武器系統(tǒng)“天空衛(wèi)士”，在測(cè)試中成功擊落了以每秒50米速度飛行的無(wú)人機(jī)，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(jìn)展，并公布了新型機(jī)動(dòng)型高能激光武器系統(tǒng)的影像資料。

其實(shí)，激光在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些。如有著自主導(dǎo)航系統(tǒng)“CPU”之譽(yù)的激光陀螺，它可以使飛機(jī)、艦船、火箭、導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)載體不依賴(lài)外部導(dǎo)航信息，實(shí)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(dá)、激光制導(dǎo)、激光模擬訓(xùn)練器材等。

前不久，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，來(lái)自美國(guó)、法國(guó)和加拿大的科學(xué)家共同獲得該獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诩す馕锢眍I(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)。

“一束光”的研究與發(fā)明成果先后10次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，它的廣泛應(yīng)用更是帶來(lái)了一系列突破性創(chuàng)新，演繹著無(wú)數(shù)的光榮與夢(mèng)想。

【專(zhuān)家簡(jiǎn)介】

孫曉泉，國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，從事激光應(yīng)用技術(shù)教學(xué)科研工作30余年，先后主持軍內(nèi)外科研課題10余項(xiàng)，獲重大科技獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。