出品:科普中國

  制作:中科院物理所光物理實驗室 OSA 物理所學生分會

  姜麗桐銀珊

  監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  最近什么電影比較火?

  當然是充滿原力與覺醒的《星球大戰》了!

  日前正在北美上映的《星球大戰7》一騎絕塵,以勢如破竹之力橫掃各大票房紀錄。電影中讓粉絲心心念念的莫過于那把威力無比、能夠置敵人于死地的光劍。擁有這樣一把寶劍想必也是所有鐵粉夢寐以求的事情。

  據說,盡管官方一再解釋“光劍(lightsaber)”是一團等離子體,受到很強的磁場作用被束縛成劍的形狀,但仍無法制止大批粉絲瘋狂購買“激光劍”cosplay。

  等一下,星戰里的光劍,居然不是用激光做的?

  是的,你不僅被騙了,而且被蒙在鼓里很多年……

  那今天小編就和大家聊一聊激光。

  大部分人都知道激光的英文名稱是LASER。它是英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(翻譯過來就是:受激輻射的光放大)的縮寫。所以,如果光劍是用激光做的,那它應該叫 Lasersaber。

  這里,我們又要搬出無比聰明的大物理學家愛因斯坦。因為激光的基礎源于他所提出的理論。

  激光原理

  1917 年,大名鼎鼎的愛因斯坦提出了一套全新的技術理論:光與物質相互作用。

  大家都知道,物質由原子分子組成。

  原子分子也帶有電子。這些粒子都有不同的能量狀態(能級)。

  這一理論是說:在組成物質的原子中,有不同數量的粒子(電子),它們都在不同的能級上。有的能級高,有的能級低。

  在高能級上的粒子受到外界某種光子的激發,會從高能級(E2) 跳到低能級(E1) 上。這時將會輻射(emission)出能量為ΔE的光,輻射出來的光與激發它的光恰巧有著相同的頻率和方向。在某種狀態下,我們還能通過一個弱光激發出一個強光。這種現象就叫做“受激輻射的光放大”,簡稱激光

  光子的能量是用E=hv 來計算的,其中h為普朗克常量,v為頻率。

  由此可知,頻率越高,能量越高。

  激光能夠制作激光劍嗎?

  我們知道了激光產生的原理,那么問題來了,用激光到底能不能做出一把狂拽炫酷的激光劍???

  首先,你常見的激光長這樣:

星球大戰里的“激光劍”?你誤會了!

  這種激光筆,能量只有1~5 毫瓦。好像不夠炫酷啊,but,注視這種光束幾秒鐘會對視網膜造成傷害。所以,只要不是鈦合氪金眼,這種激光筆照射到眼睛還是很危險的!

  能量再高一點的激光能干啥?

  5~10 毫瓦的激光就可以做 CD 的光盤驅動器了。

  100 毫瓦的激光可以應用在高速 CD-RW 刻錄機上,再大一些的 250 毫瓦左右的激光器常應用在 DVD 上,而 400 毫瓦的激光穿透裝有光盤的光盤盒只需要 4 秒鐘。

  通常情況下,激光光束被完全封閉的,例如被封閉在 CD 或 DVD 播放器內,所以不會對人造成傷害。

  咳咳,好吧,讓我們繼續說劍的事兒。

  既然是劍,那必須要做到一點:能砍能劈能割肉。激光能做啥?激光能夠把光能轉換為熱能,1~20 瓦激光一般在微電子領域廣泛應用,當功率達到 30~100 瓦就可以應用到外科激光手術了,比如美白。

  當激光功率達到 100~3000 瓦,就可以普遍應用在工業切割上。

  唉喲,不錯哦,(電影里)這么小的激光器可以割斷鐵網,那么做一把削鐵如泥的激光劍是不是也快要成功了呢?

  削鐵如泥的激光切割機也是有的,只不過,它們的體積堪比車床……

  什么情況?!說好的手持式呢?如此龐大,怎么揮舞得起來!其實,這是因為激光切割機,不僅需要高功率激光發射器,還需要考慮到散熱冷卻等問題。意思就是,光有一個激光發射器不行,還要帶上一個冷卻散熱的家伙,才能保證它自己不被熱爆!所以手持式神馬的,也就切切 1 毫米的鋁片玩玩吧!

  不過在這個功率下,即使散射的激光(200 瓦以上)也會對眼睛和皮膚造成傷害。所以,一些公司利用激光的熱能,制造新型的烹飪工具。然而,在實驗室里,如果不小心被激光打到衣服上,就立馬能聞到酸爽的糊味兒。

  哎呀,不要灰心嘛,看看人家技術宅是怎么 cosplay 的。

  之前,YouTube 上一個超級熱愛科(luan)學(gao)發(po)明(huai)的 up 主就展示過一把外形霸氣側漏的自制 40 瓦激光槍。據悉,這把激光槍的尾端掛載了鋰電池,扣下扳機之后,激光槍發出的 8 束(每束 5 瓦)激光會通過一個凸透鏡匯聚起來,使得能量疊加,然后射向對應目標。最后,他成功地點燃了木頭,打爆了氣球。

  既然奧特曼可以用激光打怪,那 Geek 也可以用激光打蚊子。

  某微軟前工程師 Nathan Myhrvold 創辦了一個叫做 Intellectual Ventures Laboratory 的創新實驗室。他最近的壯舉就是發明了一個神奇的激光炮,用來打蚊子。此炮名曰Photonic Fence,在一秒鐘之內消滅數十只蚊子毫無壓力,據說在30 米的范圍內百發百中。

  能不能行啦!弄半天,你就給我打了只蚊子……

  別激動,別激動,高能預警來了,你要的激光武器送到。

  激光武器

  激光的能量和功率達到一定程度上,便可做成武器。激光武器是一種利用定向發射的激光束直接破壞目標的定向能武器。目前,美英兩國海軍正在合作研發實際裝備海上大型艦艇的電磁炮和激光武器。從前期的裝備展上我們看到,中國已經展示了可以打擊低空無人機的小型激光武器裝備。而德國也已經使用這一技術在兩年前進行了打擊試驗并取得成功。

星球大戰里的“激光劍”?你誤會了!

星球大戰里的“激光劍”?你誤會了!

中國工程物理研究院等單位研發的激光系統(上圖)可擊落小型飛行器(上圖)

  中國激光武器的研制最早始于 1964 年 3 月,但取得較大的進展則是在改革開放以后。中國于 1986 年 3 月啟動實施了“高技術研究發展計劃(863 計劃)”,而激光技術則是 863 計劃中的科目之一。近日,來自上海的研究人員在最新一期《光學快報》雙周刊上撰文稱,他們創造了迄今為止最強大的激光,今后可能廣泛應用于核物理和高科技武器等領域。這種激光的峰值功率為 5.13 拍瓦(千萬億瓦),持續時間 30 飛秒(1 飛秒等于一千萬億分之一秒)。

  由星戰說開去,原理簡單的激光居然有如此廣泛的應用。下次再走進電影院的時候,是不是可以思考一下火爆的電影道具背后的物理知識呢?

  說了那么多,激光劍到底能不能做成??

  咳咳,其實答案很簡單,你試試兩束光相交,它們會像鐵劍一樣碰撞么?不僅不會,如果沒有遇到障礙物(不透明的物體)的話,兩束強激光還能穿越天際,根本不會在空中只保持一米多的長度。

  其實光劍和激光根本沒關系。等離子體是神馬,我們以后再聊。但是小編很負責任的告訴你,像星戰里那樣狂拽炫酷的光劍只靠激光是做不出來的。所以下回再看星戰的時候,可千萬別再說“激光劍”了哦!


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