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探秘反激光器应用:反激光器≠反激光武器

2016-12-23 13:13
seele_jin
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世界上第一个激光器面世于2011年,这是一个能够吸收激光入射光束的99.4%的设备,由A-道格拉斯-斯通(Douglas Stone)牵头的美国耶鲁大学研究团队研制。那么,这到底是个什么东西呢?它与激光有着怎样的关系?它的诞生又将给人类带来哪些福祉呢?它可以抵御激光武器吗?这里我们一起来探索反激光器的秘密世界。

激光

说到反激光器,大家可能首先想到的是激光,因为激光对于我们来说实在是再熟悉不过了。激光亮度为太阳光的100亿倍,是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的用途非常广泛,可以说已经深入我们生活的方方面面:激光治疗、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光快速成型、激光涂敷、激光成像等技术,已经在各行各业以及人们的日常生活中得到广泛应用。其中,我们最熟悉的估计就是激光美容了吧,另外激光在军事方面也有重要的应用,它可以制作各种各样的激光武器,而且杀伤力很大。

激光的原理早在 1916 年就被著名美国物理学家爱因斯坦发现,但直到1960 年激光器才被首次成功制造。激光器一经问世,就获得了异乎寻常的发展。我们先来了解一下激光器的工作原理:

激光工作物质位于谐振腔内,当工作物质的某对能级之间发生粒子数反转分布时,频率处在这对能级自发辐射谱线宽度内的微弱光信号,将获得增益而扩大;由于谐振腔内存在各种损耗,光信号在其中传输时又会不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。光学谐振腔要获得光自激振荡,须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗。传统激光器一般是使用半导体物质等“增益介质”(如砷化镓)产生聚焦光束,这是一种相干光束。所谓相关光束就是振动方向相同、振动频率相同、相位相同或相位差保持恒定的两束光线,这样的两束光在相遇区域内就会产生干涉现象。

反激光器工作原理

与激光器正好相反,反激光器是能够吸收特定频率的光束而不是释放光束的一种设备。进入反激光器的入射光束能够相互干涉,最后会相互抵消。在这个过程中,光能够转化成热能释放出来。而且这个过程一般需要损耗介质的参与,比如硅就可以做这种损耗介质。反激光器的损耗介质与激光器的增益介质是相对而言的。

“反激光器”这一概念是由耶鲁大学理论家A?道格拉斯?斯通提出的。斯通是在向一位访问学者介绍激光背后复杂的物理原理时提出这一概念的,他还建议同事帮他想想激光反向作用原理,以便更清楚地了解传统激光器的工作原理。同时,他也开始思考能否研制一个与激光器工作原理相反的设备。

在2010年7月26日的《物理评论快报》上,斯通和他的研究团队发表了一份关于反激光器的理论研究成果。研究表明,特定频率激光光束进入含有硅片这种“损耗介质”容器内后,硅片能够将光束完美捕获,被捕获的光束会在容器内无规律来回运动,直到它们被完全吸收并转化为热能。这证明了反激光器可以利用最常见的半导体材料硅作为“损耗介质”来捕获激光光束。

2011年2月,斯通和他的研究团队在美国《科学》杂志上发表文章,声称已经研制出了世界上第一个反激光器,他们将其称为“相干完美吸光器”(CPA),目前这个设备能够吸收激光入射光束的99.4%。

理论上讲,反激光器能够吸收99.999%的入射光束。但由于实验条件限制,现在只能吸收99.4%的入射光束。“我们研制的这种设备只是一种概念验证”,斯通说,“但我相信,随着更多更高级反激光器的问世,我们会逐渐突破这种理论上的限制。” 同样,这个团队研制的反激光器宽度是1厘米,但斯通说,计算机已经模拟出了制作6微米宽(大约是人的头发平均宽度的二十分之一)反激光器的方法。

目前,世界各国都在致力于反激光器的研究,如意大利米兰理工大学的斯特凡诺?隆基的《物理评论A》上,曾介绍了将激光器和反激光器融合在同一个设备中的方法。

反激光器的应用

虽然反激光器能够很好的吸收光束,但是它只能吸收特定波长的光,所以它并不适用于太阳能板,因为太阳能板要吸收不同波长的光。但斯通相信,未来某天反激光器能够被用做光学开关、探测器以及下一代计算机——光学计算机的其它配件上,这种计算机除了用电驱动外,还需要用光驱动。同时,反激光器能在放射学领域大显身手。斯通介绍,反激光器可以用于捕捉人体不透明组织中一小部分区域释放的电磁射线,用于医学透视成像和疾病治疗。另外,还可以通过光纤线来进行传真。

事实上,反激光器并不能抵御激光武器的进攻,因为反激光器吸收相干光束后会将其转化成热能,而且这个热量是非常大的。在战场上,由此产生的巨大热能同样能将人烧伤甚至烧死。

“人员阻止和刺激响应”激光步枪,这种枪可以用激光阻止敌人进攻,但不致命。

有人可能会想,激光武器在军事上发挥了那么大的作用。那我们能否利用反激光器来抵御激光武器的进攻呢?答案是不能。我们在前面讲到了,反激光器吸收相干光束后会将其转化成热能,而且这个热量是非常大的。如果战场上用反激光器作为激光武器的防御工具,虽然可以避免受到激光武器的直接攻击,但是由此产生的巨大热能同样能将人烧伤甚至烧死。

发明它的物理学家称,它可用于制造感光开关和光学计算机

最新一期美国《科学》杂志18日出版,介绍反激光器可以用于制造感光开关和光学计算机,应用于放射学领域。

《科学》杂志首次揭开反激光器的神秘面纱,但它的原理去年夏天得以公开。耶鲁大学物理学家道格拉斯·斯通领导的研究团队去年夏天发表报告说,反激光器吸收激光光束,释放热能。

传统激光器利用半导体物质等“增益介质”产生聚焦光束;反激光器则利用硅作为“损耗介质”,捕获激光光束。

进入反激光器的光束彼此干涉,相互抵消,“吸收”成为热量。

反激光器≠反激光武器,不可用于防御激光枪

斯通领导的团队利用一块硅薄片制成首台反激光器“相干完美吸光器”。

这块大约1厘米宽的硅片充当“损耗介质”。实验中,研究人员让两束具有特定频率的激光光束射向反激光器。两条光束在反激光器中“不停地来回震荡”,最终相互抵消,转化为热量。

理论上,反激光器可以吸收99.999%的入射光束。不过,由于实验限制,“相干完美吸光器”的“吸光率”为99.4%。

正因为它吸收光束,反激光器不可用作高功率激光武器的“防御工具”。

“这是一种用于吸收激光光束的仪器,”斯通说,“有人拿激光枪射杀你时(拿反激光器保护自己),你照样会被杀死。”

光学和医学领域用途广泛

反激光器用途十分广泛。

斯通说,反激光器将用于制造光学计算机。光学计算机用光,而不是用电处理信息,处理数据的能力比电子计算机大1000多倍。

另外,反激光器可用于制造感光开关。

反激光器能在放射学领域显身手。斯通介绍,反激光器可以用于捕捉人体不透明组织中一小部分区域释放的电磁射线,用于医学透视成像和疾病治疗。

反激光器本身还有很多地方有待完善。它的许多用途可能还没有被发掘出来,而且现有很多用途还处于试验阶段。但是,我们相信,反激光器的前景是美好的,它会给人们带来更多的福祉,让我们拭目以待吧!(整理报道)

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