對于科幻電影迷來說，《星球大戰(zhàn)》絕對是一個劃時代的史詩級作品。電影為我們展現(xiàn)了一個令人嘆為觀止的世界。其中的武器——光劍，也成了電影史上最著名的武器之一。神奇的電影世界也引發(fā)了人們的遐想，激光究竟有著怎樣的威力？激光是否真的能變成殺傷力驚人的武器呢？讓我們一起來揭開激光的神秘面紗吧。

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什么是激光？產(chǎn)生原理是什么？

激光即原子受激輻射產(chǎn)生的光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的人造光。1917年，愛因斯坦在解釋黑體輻射定律時提出假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程。愛因斯坦的假說為激光的產(chǎn)生提供了理論基礎(chǔ)。

我們已經(jīng)知道，激光和普通光的不同之處在于前者是受激輻射產(chǎn)生，后者是自發(fā)輻射產(chǎn)生。但是什么是受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射呢？

首先我們要明確，任何一種光源的發(fā)光都與其內(nèi)部微觀粒子（原子、分子或離子）的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。任意時刻，粒子都只能處在某一個能級上。當(dāng)粒子從高能級躍遷到低能級時輻射光子，釋放光。

受激吸收：粒子處在某一個低能級（E1）上。當(dāng)受到能量等于高低兩個能級的能量差（hν=E2-E1）的光子照射時，粒子就有可能吸收光子的能量，被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級（E2）上。這個過程叫做受激吸收。

自發(fā)輻射：高能級的粒子是不穩(wěn)定的。在沒有外界影響的情況下，粒子自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時輻射出能量為hν=E2-E1的光子。這個過程叫做自發(fā)輻射。

此時被釋放的光即為普通的光（如白熾燈、電燈、霓虹燈等），其特點(diǎn)是光的頻率大小、方向和步調(diào)都很不一致。

受激輻射：處于高能級（E2）的粒子，受到能量等于高低兩個能級的能量差（hν=E2-E1）的光子照射時，有可能從高能級（E2）向低能級（E1）躍遷時，并且向外輻射一個與入射光子頻率、相位、偏振方向都相同的光子。這個過程叫做受激輻射。

如上圖所示，受激輻射射出的光子與外來刺激的光子在頻率、發(fā)射方向、相位及偏振狀態(tài)等方面完全相同。這就意味著外來光得到了加強(qiáng)，即光放大。

顯然，如果通過受激吸收，使處于高能級的粒子數(shù)比處于低能級的越多（此狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時就有可能形成激光了。

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激光器的誕生

自1917年愛因斯坦提出受激輻射理論后，許多科學(xué)家致力于研制激光器，實(shí)現(xiàn)人類創(chuàng)造激光的夢想。1951年，美國物理學(xué)家湯斯認(rèn)為，用熱或電的方法，讓光處于激發(fā)狀態(tài)，可以用微波誘導(dǎo)它們發(fā)射出很強(qiáng)的受激微波。他反復(fù)實(shí)驗(yàn)，兩年后成功實(shí)現(xiàn)了這個想法。

1960年美國科學(xué)家梅曼加以改進(jìn)，利用高強(qiáng)閃光燈光管來激發(fā)紅寶石，由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時，就會發(fā)出一種紅光。

在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱——波長為694.3納米可實(shí)用的激光，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可產(chǎn)生極高的溫度。人類歷史上第一臺激光器誕生了。

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激光的特性

受激輻射的光放大機(jī)理，賦予了激光許多普通光沒有的特性?？偟膩碚f，可以歸納為四點(diǎn)：方向性好、能量集中、單色性好、相干性強(qiáng)。

>>>>方向性好

激光的方向性好主要是由受激輻射的光放大機(jī)理和激光器的光學(xué)共振腔的方向限制作用決定的。由于受激輻射所產(chǎn)生的光子是相同的，所以光線行進(jìn)的方向相當(dāng)一致。

而激光器的共振腔把光線用反射鏡局限在一個特定的范圍內(nèi)，讓光線可以來回反射。擁有跟共振腔相同方向的光線被放大，從而使光線行進(jìn)的方向完全相同。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。

>>>>能量集中

良好的方向性，使激光的能量可以集中。普通光源（如白熾燈）發(fā)出的光，射向四面八方，能量分散。而激光由于方向性好，所以能量能高度集中。一般功率在250mV以上激光，可以輕易點(diǎn)燃火柴、鞭炮、塑料材質(zhì)等易燃品。

>>>>單色性好

激光最接近單色光，所謂單色光，即單一頻率（或波長）不能產(chǎn)生色散的光。激光的單色性比普通光高約1010倍。

>>>>相干性強(qiáng)

相干性是指為了產(chǎn)生顯著的干涉現(xiàn)象，波所需具備的性質(zhì)（振動頻率相同、相差恒定）。普通光源發(fā)光是自發(fā)輻射的過程，粒子各個波列之間沒有固定的相位關(guān)系，振動方向與頻率也不盡相同。

所以普通光源發(fā)出的光不是相干光。激光的發(fā)光機(jī)理是受激輻射，各波列之間都具有確定的相位關(guān)系，發(fā)出的光是相干光，所以激光有很強(qiáng)的相干性。

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激光技術(shù)的應(yīng)用

作為20世紀(jì)繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明，激光憑借方向性好、能量集中等特點(diǎn)，化身為最快的刀、最準(zhǔn)的尺、最亮的光，廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)乃至社會的各個方面。讓我們一切來看看激光技術(shù)的應(yīng)用吧。

>>>>最快的刀

在工業(yè)領(lǐng)域，常用激光束照射工件,使材料迅速熔化氣化，實(shí)現(xiàn)對工件穿孔,切割和焊接等加工。目前已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù),包括激光切割、激光打孔、激光焊接、激光光刻與存儲等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)重要部門。

激光切割機(jī)切割鋁板

在醫(yī)療領(lǐng)域，激光手術(shù)刀也有它的獨(dú)到之處。激光手術(shù)刀的刀刃就是激光束聚集起來的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)可以小到0.1毫米，焦點(diǎn)上的功率密度達(dá)到每平方厘米10萬瓦。

這樣的光刀所到之處，不管是皮膚、肌肉，還是骨頭，都會迎刃而解。用功率為50瓦的激光刀后，切開皮膚的速度為每秒鐘10厘米左右，切縫深度約1毫米，和普通手術(shù)刀差不多。

>>>>最準(zhǔn)的尺

激光測距是激光最常見的應(yīng)用之一，激光測距的誤差是其他光學(xué)測距儀的五分之一至數(shù)百分之一。目前，激光測距廣泛用于軍隊(duì)的偵察測量和武器火控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末，激光測距儀開始裝備部隊(duì)，現(xiàn)已研制生產(chǎn)出多種類型，測距精度良好。

我國天戈系列激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，對20千米內(nèi)的目標(biāo)，誤差不超過三米

>>>>最亮的光

激光被稱為最亮的光，是因?yàn)樗墓馐芷叫邢蛞粋€方向發(fā)散，且?guī)缀醪凰p，亮度非常高，最亮?xí)r甚至比太陽還要亮100億倍。高亮度的激光也代表著非常大的能量，在臺式化加速器、核物理、核醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域皆有重大應(yīng)用價值。

例如高亮度的激光可用于研制基于小型化激光質(zhì)子加速器的激光質(zhì)子刀，治療癌癥，還可以用于產(chǎn)生反物質(zhì)，研究天體物理和宇宙起源，甚至在將來，還可用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測。

激光雖然不能變成電影里無堅(jiān)不摧的光劍，但也在社會生活的方方面面發(fā)揮著巨大的作用。除了以上提到的激光技術(shù)外，光纖通信，激光醫(yī)療等技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。未來將會有更多的激光技術(shù)應(yīng)用于我們的生活中。