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【美高梅4858mgm】关怀激光火器,大雾盾牌

  出品:科普中国

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  作者:兰顺正

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——

  策划:宋雅娟

一束光的梦想与现实

  监制:光明网科普事业部

■解放军报记者 王握文 通讯员 孙程浩 娄兆凯

  18日,据美国太空战争网站报道,为了能够更好的进行激光通信,瑞士现在正在研究如何让激光穿透云层的技术。无疑,该技术将是人类在激光领域的有一个进步。

“神奇之光”的神奇之处

  激光通信的基本原理与无线电通信类似,由两台激光通信机构成的通信系统。为了使激光通信具有全双工通信能力,每个系统都有信号调制电路、激光器和光发射(接收)天线。发射时,受调制的信号通过调制电路使激光器发光,使载有信号的激光通过光学天线发射一束受控扩散光束以便于接收天线接收。接收时,激光通信系统通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上,然后将这一光信号转换成电信号,再经过滤波、解调,还原出原始信息。激光束具有高亮度、高频率、良好的单色性和方向性,而激光通信使用激光波束为载波,具有很多独特的优点,如频带宽,容量大;尺寸小,使用便捷;方向性好,保密性强;不占频率资源,抗干扰等。这些使得激光通信在未来极具应用潜力,但是激光通信也有一个最大的缺点,那就是光线不能被阻断,一旦光路受阻,信息就无法传输,这一点在卫星与地面的天地通信中尤为严重,变化多端云雾会产生“幕布”的作用。

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”。

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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。

  图片来自网络

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?

  据报道,为防止云层阻挡激光的传输,瑞士日内瓦大学正在致力于研究用超热激光在云层中烧出一个临时的“洞”,从而实现即使有云层遮挡也能进行激光通信。相关研究人员称,现在该技术已经能够穿透半米厚的人造云,而这种人造云中单位体积的水分含量是普通云的10000倍,也就是说在实际环境中这种激光束可以穿透一公里厚的云层。据悉,该技术会在2025左右向全球推广,对于激光通信的普及将产生重大的意义。

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。

  同时,该技术在军事领域的作用也不可小觑。激光的军事用途早已被人熟知,记得在前几年,“局座”张召忠在接受央视媒体采访的时候曾表示,美国正在大力发展激光武器存在局限,其中之一就是难以穿透雾霾,由于随后中国北方一度雾霾现象严重,“局座”的观点也引发了不小的争议。平心而论,“局座”的说法确实有道理,因为和云层一样,含有大量悬浮物和杂志的雾霾不论对于武器级激光还是制导用激光都是具有削弱乃至阻断作用的,所以“雾霾盾牌”是有可能克制激光武器。而现如今,似乎是在回应“局座”的观点,瑞士的“破云”技术让“矛”又变得更加锋利。虽然在报道中,这项技术将被用在通信卫星上,但是以此类推,该装置既然能装上“寸土寸金”的太空平台,那么与飞机、汽车、舰船的平台进行融合就更加不是问题。在未来,敌方的激光束将有能力穿透层层阻碍以后打到目标身上,而“局座”的“雾霾盾牌”理论或许也应该与时俱进了。

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,波长各不相同,不同波长对应有不同颜色。而激光不仅波长基本一致,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