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世界观察：打怪兽、做雕刻、启动核聚变，怎么哪里都有你？

来源：科普中国

小时候坐在电视机前痴痴地看着奥特曼和怪兽打架，看到奥特曼每次都是被怪兽打到胸口的能量指示灯开始闪了（奥特曼内心OS:时间不多了，不能再演了）,才会拿出看家本领——斯派修姆射线！

（图片来源：Wikipedia）

当时还是小学生的我每次看完奥特曼都会伸出手比划比划，渴望手搓出一条斯派修姆射线来，奈何自己不是M78星云的子民。


(资料图)

后来，经过现代物理学知识武装的大脑告诉我：杰克奥特曼发射的斯派修姆射线、赛文奥特曼发射的艾梅利姆光线、迪迦发射的哉佩利敖光线——大概或许应该都是激光。

在1916年，爱因斯坦首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此后的很长一段时间里，人们都在猜测这个现象能否用来加强光场。1960年5月16日，美国加利福利亚州修斯实验室的科学家梅曼宣布成功产生了激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，而梅曼也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

梅曼和他的红宝石激光器

（图片来源：Wikipedia）

在讲述激光的各种神奇应用之前，先让我们来看看激光是怎么产生的。

让光子“听话”：激光与受激辐射现象

在梅曼制作的激光器中，发光的物质是红宝石制成的小棒。红宝石是由许许多多原子构成的，原子则是由原子核以及围着原子核转圈的电子组成的：

（图片来源：作者自制）

当电子从离原子核远的轨道跃迁到离原子核近的轨道时会释放一部分能量，这部分能量是以光的形式释放的。在各种发光物体中，原子都在进行着这一过程。

（图源：作者自制）

但是在自然界中，由于电子进行轨道跃迁具有随机性，围绕不同原子核转圈的电子跃迁产生的光子能量也不一样，因此发出的光子都是大杂烩，没有特别之处。我们称这种光为自然光。

激光和自然光最大的不同就在于激光的光子能量都是一样的，而且行动很一致。激光中的光子能够这么听话，是因为人们利用了爱因斯坦发现的受激辐射现象。

受激辐射现象是指，当有一个光子经过一片还未发生电子跃迁的区域时，别的电子受到这个光子的影响，就会纷纷开始跃迁，由此产生很多能量和传播方向都相同的光子。

就像是学校里快到饭点了，大家都在座位上蠢蠢欲动，只要有一个同学带头出发，那所有人都会跟着奔向食堂。

（图片来源：作者自制）

利用受激辐射现象，科学家们成功研发出了激光器。由于激光器发出的光子能量相同且步调一致，相比于自然光具有方向性强、颜色单一、能量集中的特点，毕竟“团结力量大”嘛。奥特曼能够打败怪兽，要归功于能量高度集中的激光。

好了，现在激光被生产出来了，除了能打败怪兽，它还能干些啥？

激光也能干精细活——飞秒激光加工

飞秒也叫毫微微秒，这时间有多短呢？一飞秒只有一秒的一千万亿分之一。我们知道，自然界传播速度最快的物质是光，每秒能飞行30万千米，而在一飞秒的时间内光也只能走300纳米。

飞秒激光加工指的是我们在使用激光烧蚀材料时，激光与材料作用的时间是在飞秒量级的。由于激光能量集中度很高，如果不把激光和物质相互作用的时间控制得很短的话，不想烧掉的地方也会被烧掉。

在激光治疗近视的手术中，针对角膜组织的厚度控制好激光是非常重要的一件事，否则……后果很严重。

有了飞秒加工技术，激光就能够加工很精密的结构。它可不止是能打怪兽，干起精细活来也是张飞穿针——粗中有细。

下图为利用飞秒激光加工技术在玻璃表面制作的微透镜，它的大小只有10微米,而人的头发丝直径都能达到60-100微米。

（图片来源：参考文献）

这些精巧的图案都是使用能量很小的激光雕刻而成，如果使用能量极大的激光去干精细活的话，那可就是奥特曼穿针——粗粗粗粗粗中有细了。平时我们拿着放大镜把阳光聚焦成一个小光斑，就能够烧焦木头甚至点燃纸片，那如果把能量已经很高很集中的几束激光再聚集到一块会怎样呢？这就是咱们接下来要说的“创造太阳的方法”——激光核聚变。

激光诱导核聚变——大力出奇迹

人类的发展伴随着能源开发利用技术的不断进步，清洁、安全的可控核聚变发电技术是人类一直在追寻的理想发电技术。现在正进行研究的可控核聚变技术路线包括磁约束核聚变、激光约束核聚变以及Z脉冲功率设施等。美国国家点火装置NIF、位于上海嘉定的神光一号、神光二号以及位于四川的神光三号，都是用于研究激光核聚变的大型实验装置。

激光核聚变的基本原理是：利用激光将固态球状核原料（直径约为两毫米的小球）加热至能够产生核聚变的温度（约为1亿摄氏度），理想情况下，核原料产生核聚变后释放出的能量大于加热核原料所耗费的能量，那部分多出来的能量就能够为人类所利用。

当前，距离核聚变的实用化还有几十年的路要走。以美国国家点火装置为例，为了让核燃料达到能够产生核聚变的温度，需要192束激光从各个方向同时击中直径约为3毫米的核原料。NIF设备足足有三个足球场那么大，想要达到如此高的控制精度非常困难。

美国国家点火装置内部图

（图源：Wikipedia）

核原料小球

（图片来源：Wikipedia）

负责操作国家点火装置科学家们想尽各种办法让这192束激光变得又细又直，好让它们能够精确地对准小球。**而有的科学家们却又在绞劲脑汁地让激光变弯。**这是看了泽塔奥特曼的泽塔弯曲型光线后，想要在现实中复刻一下吗？这种沿着弯曲路径传播的光在2007年面世，它的名字叫艾里光束。

会自己拐弯的光——艾里光束

这种神奇的光束以英格兰天文学家、数学家 Airy爵士命名。1838年，他在研究“彩虹为什么是弯的？”这个问题时发现了Airy方程。如果说它是一粒种子，那么艾里光束便是历经百余年长成的大树。不过因为艾里光束产生的机制太复杂，所以在这篇文章中就不再具体讲它是如何产生的了。

实验室测得的艾里光束传播路径

（图片来源：参考文献）

利用艾里光束的自弯曲性质，科学家们已经制造出利用艾里光束来运输微小粒子的光镊：

（图片来源：参考文献）

如果艾里光束的能量足够大，那么利用它来制造的激光武器就能够对付隐藏在掩体后的敌人；如果艾里光束的传播距离足够长，我们就能够照亮普通光束照射不到的地方；如果艾里光束足够精细，我们就能制造出形状更加复杂的微小结构。

蒸汽机的出现引发了工业革命，电磁感应现象的发现让人类迈入电气时代。当下，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”的激光，未来会将我们带向何方？就让我们一起，拭目以待吧。

参考文献：

[1]曹小文, 张雷, 于永森,等. 飞秒激光制备微光学元件及其应用[J]. 中国激光, 2017, 44(1):13.

[2] Siviloglou G A , Christodoulides D N . Accelerating finite energy Airy beams[J]. Optics Letters, 2007, 32(8):979-81.

[3]林尊琪. 激光核聚变的发展(邀请论文)[J]. 中国激光, 2010(9):2202-2207.

[4]https://zhuanlan.zhihu.com/p/26697972

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼

监制：中国科普博览

关键词： 受激辐射 科学家们 参考文献

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