神通激光

第四節 神光明亮勝太陽

　　相傳2200多年前，有一次，羅馬戰艦攻打希臘城池，戰鬥異常激烈。在十分危急的時刻，科學家阿基米德獻上一條妙計。於是，國王按照阿基米德計策，命人連夜製造幾個凹麵反光鏡，第二天，派人把這些凹麵鏡送到前沿陣地，讓幾名戰士手持凹麵鏡，將太陽光集中反射到敵艦上。那時候，戰艦都是木製的，這“光武器”一照射，確實奏效，高亮灼熱的光束使敵艦燃燒起熊熊烈火，侵略者莫名其妙地葬身於大海之中了。

　　這不過是人們對光武器的一種幻想。科學計算告訴我們：要燒毀1公裏以外的敵艦，必須采用直徑1千米以上的凹麵鏡或幾千個相當大的凹麵鏡集中照射敵艦，而且要求那些凹麵鏡的反光能力極強。在那科學技術不發達的古代，要以光武器摧毀敵方設施，是根本辦不到的。這樣的目的，如今則能夠達到了。不過，不是采用凹麵鏡，而是采用強大的激光束。今天的戰爭，戰艦都是鋼鐵製造的，軍事設施都是很厚的鋼骨水泥建造的，沒關係，都不在話下——強大的激光束，能夠產生幾千度、幾萬度的高溫強熱，光束照射到鋼板或混凝土上，一眨眼工夫，鋼板或水泥的被照射部位就會被熔融，甚至被燒掉！

　　激光有這樣的威力，是因為它是一種亮度極高、能量易於集中和發射的光束，在現代人造光源中獨占鼇頭。

　　一般的人造光源，如白熾燈和日光燈，它們的亮度是很低的。氙燈的亮度比普通的燈光要亮得多，一盞5萬瓦的氙燈的亮度約為1000盞100瓦的普通白熾燈的亮度。高壓脈衝氙燈的亮度比太陽表麵的亮度還要高幾倍。然而，這種氙燈在激光麵前，還隻能算是個“小不點兒”。平時，我們說太陽最亮，人的眼睛是不敢直視的。但是，就目前來說，已有的激光器發射的光的亮度，比太陽表麵的亮度要高幾十萬倍至幾百億倍！如此高亮度的光束，具有極強大的力量，如果將這樣的激光束會聚起來，便可以產生幾萬度甚至上百萬度的高溫高熱，輕而易舉地就穿透鋼鐵或其他堅硬的材料。

　　一般的人造光源，像白熾燈和日光燈，發出的光通常是向四周輻射的，能量是很分散的，不像激光器發出的激光那麽定向，那麽集中。普通的燈光，即使采用光學方法加以集中，比如用凸透鏡聚集起來，也隻能聚集其中的一部分，而且還難於聚焦到極小的範圍內，普通燈光不能聚焦到極小的範圍內的原因有二：（1）一般的光源是有一定大小的發光體，如白熾燈泡的燈絲的直徑、長度和形狀大小，經過透鏡形成一定大小的燈絲像；（2）一般的光源發出的光包含有多種波長，經過透鏡聚焦時就如同經過三棱鏡（凸透鏡相當於兩個尖頂向外、底對著底的棱鏡），產生色散作用，各種不同波長的光經過凸透鏡後在後邊分別形成自己的像點，使聚焦後的光斑增大。激光則不同，由於它的方向性好，輸出的幾乎是一束平行光，再經過凸透鏡加以會聚，便幾乎集中在一個點上，範圍極小，在空間上具有亮度和能量的集中性。

　　例如，一個具有球狀燈絲的燈泡，燈絲直徑為7毫米，輸出功率100瓦，在所有的方向上每秒發射的光能量都是100焦。在離燈泡1米遠處有一個直徑和焦距都是5厘米的凸透鏡，燈泡發出的光經過這個凸透鏡聚焦，形成一個直徑0.36毫米的圓形燈絲像，集中在燈絲像上的光能量為15.6毫焦，單位麵積內的能量——能量密度為145毫焦/毫米2.

　　另一個是小型的氦氖激光器輸出的激光，波長為0.6328微米，最大功率為1毫瓦，即每秒發射的光能量約為1毫焦。這種激光的光束直徑約為1毫米，通過凸透鏡可以使激光束聚焦在直徑5微米的區域內。這樣，與聚焦前比，同樣的激光能量便集中在四萬分之一的小麵積內。因此，單位麵積內的能量——能量密度等於聚焦前的40000倍。這種小型的氦氖激光器輸出的激光，在聚焦以前，光能量密度為1.27毫焦/毫米2；在聚焦以後，光能量密度達到50900毫焦/毫米2.

　　從上麵的例子，我們看到：一個100瓦的燈泡發出的光，聚焦後焦點處的能量密度隻有145毫焦/毫米2，而一個僅有一毫瓦的氦氖激光器發出的光，聚焦後焦點處的能量密度竟高達50900毫焦/毫米2.從光束焦點的能量密度與光源的輸出功率的比值來看，燈光為0.00145，激光為50900，這就是說，激光的能量聚焦效率比燈光的能量聚焦效率要高3500萬倍！

　　利用激光這一特性，可以在金屬薄片或合成樹脂膜片上打出許多有規則排列的直徑1微米的小孔——隻有一根頭發絲直徑1/70的小孔！這類精密加工，以前是不可能辦到的。

　　激光具有很好的方向性，在發射方向的空間內光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千萬倍，甚至億萬倍。而且，由於激光可以控製，使光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也高度集中，因而可以在一瞬間產生出巨大的光熱，成為無堅不摧的強大光束。

　　激光能量在時間上的高度集中，這就是說，激光能夠在極短的時間內突然爆發產生，而以瞬時脈衝形式發射出去。

　　什麽是脈衝呢？我們知道，人的心髒在不停地跳動，那是它正在交替地進行著收縮和舒張動作，給血液以變化的壓力，使血液在人體血管裏不息地循環流動。於是，手腕上的動脈血管與心髒同步跳動著，這就是平常所說的脈搏。就像脈搏一下一下地跳動一樣，人們把電流、電壓、光通量的短暫起伏稱為脈衝。脈衝有矩形、梯形、三角形、鋸齒形等形狀。脈衝所能達到的最大值叫做“脈衝幅度”；脈衝持續的時間叫做“脈衝寬度”。形狀、幅度和寬度是脈衝的3個主要參數。脈衝每秒重複出現的個數稱作“脈衝頻率”，它的倒數稱為“脈衝周期”。研究怎樣實現脈衝的形成、變換、調製、放大和傳送的一門技術就是脈衝技術。它廣泛地應用在自動控製、電子數字計算機、電子儀器、電視和雷達等方麵。

　　激光脈衝，例如調Q激光器的脈衝，在千分之幾秒甚至於百萬分之幾秒的極短極短的時間內發射出去，激光亮度成萬倍地提高，可以達到比太陽表麵亮度高100億倍！如此高亮度的激光束會聚起來，能在幾微米範圍內產生上萬度高溫、上萬個大氣壓，在很短的時間內，能使一些難熔物質熔化以至氣化，成為穿透銅牆鐵壁的光武器！

　　激光的高亮度，是激光的第四大特點。激光這一特長，在許多領域裏得到了發揮。在工業生產中，利用激光高亮度特點已成功地進行了激光打孔、切割和焊接。在醫學上，利用激光的高能量可使剝離視網膜凝結和進行外科手術。在測繪方麵，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛星大地測量。在軍事領域，激光能量極高，可以製成摧毀敵機和導彈的光武器。

　　激光的應用，後麵將詳細介紹。

　　§§第三章 豐偉的功績