神通激光

第四节 神光明亮胜太阳

　　相传2200多年前，有一次，罗马战舰攻打希腊城池，战斗异常激烈。在十分危急的时刻，科学家阿基米德献上一条妙计。于是，国王按照阿基米德计策，命人连夜制造几个凹面反光镜，第二天，派人把这些凹面镜送到前沿阵地，让几名战士手持凹面镜，将太阳光集中反射到敌舰上。那时候，战舰都是木制的，这“光武器”一照射，确实奏效，高亮灼热的光束使敌舰燃烧起熊熊烈火，侵略者莫名其妙地葬身于大海之中了。

　　这不过是人们对光武器的一种幻想。科学计算告诉我们：要烧毁1公里以外的敌舰，必须采用直径1千米以上的凹面镜或几千个相当大的凹面镜集中照射敌舰，而且要求那些凹面镜的反光能力极强。在那科学技术不发达的古代，要以光武器摧毁敌方设施，是根本办不到的。这样的目的，如今则能够达到了。不过，不是采用凹面镜，而是采用强大的激光束。今天的战争，战舰都是钢铁制造的，军事设施都是很厚的钢骨水泥建造的，没关系，都不在话下——强大的激光束，能够产生几千度、几万度的高温强热，光束照射到钢板或混凝土上，一眨眼工夫，钢板或水泥的被照射部位就会被熔融，甚至被烧掉！

　　激光有这样的威力，是因为它是一种亮度极高、能量易于集中和发射的光束，在现代人造光源中独占鳌头。

　　一般的人造光源，如白炽灯和日光灯，它们的亮度是很低的。氙灯的亮度比普通的灯光要亮得多，一盏5万瓦的氙灯的亮度约为1000盏100瓦的普通白炽灯的亮度。高压脉冲氙灯的亮度比太阳表面的亮度还要高几倍。然而，这种氙灯在激光面前，还只能算是个“小不点儿”。平时，我们说太阳最亮，人的眼睛是不敢直视的。但是，就目前来说，已有的激光器发射的光的亮度，比太阳表面的亮度要高几十万倍至几百亿倍！如此高亮度的光束，具有极强大的力量，如果将这样的激光束会聚起来，便可以产生几万度甚至上百万度的高温高热，轻而易举地就穿透钢铁或其他坚硬的材料。

　　一般的人造光源，像白炽灯和日光灯，发出的光通常是向四周辐射的，能量是很分散的，不像激光器发出的激光那么定向，那么集中。普通的灯光，即使采用光学方法加以集中，比如用凸透镜聚集起来，也只能聚集其中的一部分，而且还难于聚焦到极小的范围内，普通灯光不能聚焦到极小的范围内的原因有二：（1）一般的光源是有一定大小的发光体，如白炽灯泡的灯丝的直径、长度和形状大小，经过透镜形成一定大小的灯丝像；（2）一般的光源发出的光包含有多种波长，经过透镜聚焦时就如同经过三棱镜（凸透镜相当于两个尖顶向外、底对着底的棱镜），产生色散作用，各种不同波长的光经过凸透镜后在后边分别形成自己的像点，使聚焦后的光斑增大。激光则不同，由于它的方向性好，输出的几乎是一束平行光，再经过凸透镜加以会聚，便几乎集中在一个点上，范围极小，在空间上具有亮度和能量的集中性。

　　例如，一个具有球状灯丝的灯泡，灯丝直径为7毫米，输出功率100瓦，在所有的方向上每秒发射的光能量都是100焦。在离灯泡1米远处有一个直径和焦距都是5厘米的凸透镜，灯泡发出的光经过这个凸透镜聚焦，形成一个直径0.36毫米的圆形灯丝像，集中在灯丝像上的光能量为15.6毫焦，单位面积内的能量——能量密度为145毫焦/毫米2.

　　另一个是小型的氦氖激光器输出的激光，波长为0.6328微米，最大功率为1毫瓦，即每秒发射的光能量约为1毫焦。这种激光的光束直径约为1毫米，通过凸透镜可以使激光束聚焦在直径5微米的区域内。这样，与聚焦前比，同样的激光能量便集中在四万分之一的小面积内。因此，单位面积内的能量——能量密度等于聚焦前的40000倍。这种小型的氦氖激光器输出的激光，在聚焦以前，光能量密度为1.27毫焦/毫米2；在聚焦以后，光能量密度达到50900毫焦/毫米2.

　　从上面的例子，我们看到：一个100瓦的灯泡发出的光，聚焦后焦点处的能量密度只有145毫焦/毫米2，而一个仅有一毫瓦的氦氖激光器发出的光，聚焦后焦点处的能量密度竟高达50900毫焦/毫米2.从光束焦点的能量密度与光源的输出功率的比值来看，灯光为0.00145，激光为50900，这就是说，激光的能量聚焦效率比灯光的能量聚焦效率要高3500万倍！

　　利用激光这一特性，可以在金属薄片或合成树脂膜片上打出许多有规则排列的直径1微米的小孔——只有一根头发丝直径1/70的小孔！这类精密加工，以前是不可能办到的。

　　激光具有很好的方向性，在发射方向的空间内光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。

　　激光能量在时间上的高度集中，这就是说，激光能够在极短的时间内突然爆发产生，而以瞬时脉冲形式发射出去。

　　什么是脉冲呢？我们知道，人的心脏在不停地跳动，那是它正在交替地进行着收缩和舒张动作，给血液以变化的压力，使血液在人体血管里不息地循环流动。于是，手腕上的动脉血管与心脏同步跳动着，这就是平常所说的脉搏。就像脉搏一下一下地跳动一样，人们把电流、电压、光通量的短暂起伏称为脉冲。脉冲有矩形、梯形、三角形、锯齿形等形状。脉冲所能达到的最大值叫做“脉冲幅度”；脉冲持续的时间叫做“脉冲宽度”。形状、幅度和宽度是脉冲的3个主要参数。脉冲每秒重复出现的个数称作“脉冲频率”，它的倒数称为“脉冲周期”。研究怎样实现脉冲的形成、变换、调制、放大和传送的一门技术就是脉冲技术。它广泛地应用在自动控制、电子数字计算机、电子仪器、电视和雷达等方面。

　　激光脉冲，例如调Q激光器的脉冲，在千分之几秒甚至于百万分之几秒的极短极短的时间内发射出去，激光亮度成万倍地提高，可以达到比太阳表面亮度高100亿倍！如此高亮度的激光束会聚起来，能在几微米范围内产生上万度高温、上万个大气压，在很短的时间内，能使一些难熔物质熔化以至气化，成为穿透铜墙铁壁的光武器！

　　激光的高亮度，是激光的第四大特点。激光这一特长，在许多领域里得到了发挥。在工业生产中，利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上，利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，激光能量极高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。

　　激光的应用，后面将详细介绍。

　　§§第三章 丰伟的功绩