國防科技大學孫曉泉研究員講述一束光的夢想與傳奇

    原標題：鐳射一經産生，便發出了絢麗的光芒，照進了人類的生活。國防科技大學孫曉泉研究員為您講述——

    一束光的夢想與傳奇

    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，以表彰他們在鐳射物理領域的突破性貢獻。

    “一束光”的研究與發明成果先後10次獲得諾貝爾物理學獎，它的廣泛應用更是帶來了一係列突破性創新，演繹著無數的夢想與傳奇。

    “神奇之光”的神奇之處

    鐳射是20世紀以來繼量子物理學、核能、電腦、半導體之後，人類的又一重大發明。因為它是原子受激輻射發出的光，所以被稱為“鐳射”。

    鐳射原本在自然界並不存在，它的誕生最早來自愛因斯坦在解釋黑体輻射定律時提出的假説。光的吸收和發射有受激吸收、受激輻射和自發輻射3種基本途徑。其中，受激輻射可使一個光子先後激發出很多個性質相同的光子，頻率和步調整齊一致，從而出現一束弱光最終激發出強光的現象，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生受激輻射的可能性。因此，物理界將鐳射産生機理溯源于愛因斯坦的假説。這樣算來，鐳射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年人類才獲得第一束鐳射。可見，科學家為了獲得這束光是多麼艱難。

    最難得到的往往都是最好的。鐳射更是這樣，它一經問世，便被譽為“神奇之光”。那麼，它有何神奇之處呢？

    定向發光，方向性好。普通光源是向四面八方發光，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。鐳射天生就是朝一個方向發光，發散角非常小，方向集中，接近平行。1962年，人類第一次使用鐳射照射月球，在相隔約38萬千米遠的月球表面上，其光斑直徑不到兩千米。

    亮度極高，能量密度大。普通光源中，太陽的亮度最高，而鐳射與太陽光相比，亮度要高百億倍，是目前最亮的光。鐳射器發射大量光子，短時間裏聚集巨大能量，聚焦一點可産生百萬甚至上千萬攝氏度的高溫。

    相位一致，相幹性好。相幹性是所有波的共性，鐳射的所有光子都相同且步調一致，其橫截面上各點間有固定的相位關係，具有很好的空間相幹性，成為最好的相幹光源，而普通光的光波並不同步，屬于非相幹光。

    顏色極純，單色性好。普通光源發射的光子，波長（或頻率）各不相同，不同波長對應不同顏色。而鐳射不僅波長（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

    自從人類發現了鐳射，它便以其無與倫比的優越性在各個領域得到廣泛應用。從1961年首次在外科手術應用鐳射殺滅視網膜腫瘤，到今天鐳射焊接、鐳射測距、鐳射雕刻、鐳射通信、鐳射醫療等，已廣泛應用于工業生産、資訊處理、醫療衛生、文化教育、影視藝術以及科學研究等諸多領域，帶來了一係列變革性突破。

    在工業領域，運用鐳射束能量集中的優點切割材料，鐳射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。採用短脈衝鐳射對材料表面進行鐳射清洗，可將鐵銹、油漆、氧化膜等一掃而光。利用鐳射束高密度能量等特點，人們還創造出鐳射焊接、雕刻、打標、打孔、3D列印等新技術。用鐳射作為測距光源，不但可測距離遠且精度極高。在資訊通信領域，一條用鐳射傳送信號的光纜，可以攜帶相當于2萬根銅線所攜帶的資訊量，且保密性好、抗幹擾能力強。在醫療衛生方面，常見的有鐳射手術、鐳射碎結石、鐳射矯視、鐳射美容等。因此，鐳射被稱為是“最亮的光”“最快的刀”“最準的尺”。

    隨著技術進步和工藝水準的提高，未來鐳射器將朝著脈衝速度更快、平均功率更高、光束品質更好、譜線寬度更窄的方向發展。近年來，該領域正朝著可調諧固體鐳射器、超快光纖鐳射器、大能量紫外鐳射器應用等鐳射加工和鐳射感知方向發展，鐳射在信息技術、新能源、新材料、智能制造、生物醫療、電子及航空航太等方面的應用越來越廣泛，發揮出巨大的創新驅動作用。

    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鐳射，能穿透3毫米厚的鋼板！

    鐳射束具有能量瞬間高度集中的特點，這使得它在軍事領域有了用武之地。1983年，時任美國總統裏根在談到“星球大戰”時，第一次描繪了基于太空的鐳射武器，從此，鐳射武器走進人們的視野。此後，美國、俄羅斯、法國、以色列等國憑借其科技優勢，在鐳射武器研究方面不斷取得進展，多種鐳射武器和鐳射制導武器接連問世。

    鐳射武器是一種利用定向發射的鐳射束直接毀傷目標或使其失效的定向能武器。它主要由鐳射器和跟蹤、瞄準、發射裝置等部分組成，其主要特點，一是攻擊速度極快，鐳射束可以每秒30萬公里速度向目標發射；二是攻擊功率高，短時間內集中的能量，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，卻不會産生放射性污染；三是不受電磁幹擾，可以靈活地改變方向，實現快速、精確打擊。

    根據作戰用途的不同，鐳射武器可分為戰術鐳射武器和戰略鐳射武器，根據能量大小，又可分為低能和高能鐳射武器。

    戰術鐳射武器以鐳射作為能量，可像常規武器那樣直接擊毀火箭彈、無人機等武器或敵方光電設備，如鐳射槍和鐳射炮。戰略鐳射武器則主要用于擊毀洲際導彈、致盲或摧毀衛星等，自上世紀70年代以來，美俄兩國以多種名義進行了數十次反衛星鐳射武器試驗。近年來，高能鐳射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鐳射武器，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。德國研制的高能鐳射武器係統“天空衛士”，在測試中成功擊落了以每秒50米飛行的無人機，燒穿了1千米外、15毫米厚的裝甲鋼板。今年3月1日，俄羅斯宣布在新一代高能鐳射武器係統的研發上取得重大進展，並公布了新型機動型高能鐳射武器係統的影像資料。

    鐳射在軍事領域的應用遠不止這些。如有著自主導航係統“CPU”之譽的鐳射陀螺，可以使飛機、艦船、火箭、導彈等運動載體不依賴外部導航資訊，實現精確定位、精確控制、精確打擊，但其研制與生産難度極大，工藝要求也高。此外，還有鐳射雷達、鐳射制導、鐳射模擬訓練器材等。

    專家小傳：孫曉泉，國防科技大學電子對抗學院研究員、博士生導師，從事鐳射應用技術教學科研工作30余年，先後主持軍內外科研課題10余項，獲重大科技獎勵10余項。（王握文、孫程浩、婁兆凱）