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国防科普加油站（12）一束光的梦想与现实

来源：科普中国发布日期：2024-07-03 09:24 点击量：

　　激光，是一种因受激辐射而发出的光，它具有方向性好、亮度极高、单色性和相干性俱佳等特点，被称为“最亮的光、最快的刀、最准的尺。”

　　激光的广泛应用更是带来了一系列突破性创新创造，演绎着无数的光荣与梦想。

　　激光来源于假设

　　激光是20世纪以来继量子物理学、核能、电脑、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。

　　“神奇之光”的神奇之处

　　激光是受激辐射发出的光，这样，发光就需要一个装置，即激光器。从1917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的艰难而漫长。

　　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38万公里远的月球表面上，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能量密度很大，短时间里聚集巨大能量，聚焦一点可产生百万甚至上千万度的高温。

　　相位一致，相干性好。相干性是所有波的共性，激光的所有光子都是相同且步调一致，其横截面上各点间有固定的相位关系，整束光就好像一个“波列”，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。

　　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。

　　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特点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。

　　在工业上，运用激光束能量集中（亮度高）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的激光焊接、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。

　　军事应用方兴未艾

　　你相信吗？一束总能量不足以煮熟一个鸡蛋的激光，能穿透3毫米厚的钢板。

　　激光束能量瞬间高度集中的这一特点，使得它在军事领域有了用武之地。1983年，时任美国总统的里根在谈到“星球大战”时，第一次描绘了基于太空的激光武器，从此，激光武器走进人们的视野。此后，美国、俄罗斯、法国、以色列等国凭借其科技优势，在激光武器研究方面不断取得进展，多种激光武器和激光制导武器开始投入应用。

　　激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使其失效的定向能武器。它主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，其主要特点，一是攻击速度极快，激光束可以每秒30万公里速度向目标发射；二是攻击功率高，短时间内集中的能量，远远超过相同时间核武器释放的能量，对目标进行远距离毁伤，却不会产生放射性污染；三是不受电磁干扰，可以灵活地改变方向，实现快速、精确打击。

　　根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器，根据能量大小，又相对应地分为低能和高能激光武器。

　　战术激光武器以激光作为能量，可像常规武器那样直接击毁火箭弹、无人机等武器或敌方光电设备，如激光枪和激光炮。战略激光武器则主要用于击毁洲际导弹、致盲或摧毁卫星等，自上世纪70年代以来，美俄两国以多种名义进行了数十次反卫星激光武器试验。1975年11月，美国的两颗侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，曾被前苏联陆基激光武器瞄准致盲，一时变成了“瞎子”。近年来，高能激光武器研制有了长足进步。2017年，美国研制的名为“雅典娜”的地面机动式、大功率光纤激光武器，在测试中成功击落了5架无人机，验证了其对空中目标的杀伤力。德国研制的高能激光武器系统“天空卫士”，在测试中成功击落了距离3.2公里外、以每秒50米速度飞行的无人机，烧穿了1公里外、15毫米厚的装甲钢板，效果“出奇的好”。今年3月1日，俄罗斯宣布在新一代高能激光武器系统的研发取得重大进展，并公布了新型机动型高能激光武器系统的影像资料。

　　其实，激光在军事领域的应用远不止这些。如有着自主导航系统“CPU”之誉的激光陀螺，它可以使飞机、舰船、火箭、导弹等运动载体不依赖外部导航信息，实现精确定位、精确控制、精确打击，但激光陀螺的研制与生产难度极大，工艺要求高，目前世界上只有极少数国家掌握其研制和生产技术。此外，还有激光雷达、激光制导、激光模拟训练器材等。