主题:关于反射激光的一些探讨 -- 龙神将
在很多科幻影片和动画片中都有反射激光的镜头,自然界中的普通光是可以被镜面反射的,那么如果是那种大能量的可以将薄铁板击穿的激光束的话,如果垂直射向一面镜子的话(比如说是普通的干净锃亮的穿衣镜),是会烧穿玻璃还是会被反射回来把发射激光的仪器弄坏呢?有人说镜面背后的镀膜决定了是否能够反射激光,一般家用镜子的镀膜要是哪种材料制作的才能强悍到反射激光的地步呢?刚才忽然想起来光在水中会折射,如果一枚子弹击中一个装满水的的透明玻璃杯的话,那么肯定是打碎,那么如果是一束如子弹直径一样的激光呢?是不是会留下两个孔呢?并且这两个孔不是对齐的——因为光的折射。
以上这些都是我瞎想的,求物理学高人解答了,呵呵。
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一般来说,能量要不被吸收,要不就被反射或者透射。吸收的多了,就会引起燃烧,造成烧毁。对于镜子或者玻璃来说,激光能量大部分都被反射或者透射了,吸收的能量很少,所以不容易烧毁。事实上,激光器的两个端面就是极高反射率的镜子,如果镜子被烧毁了,激光器也就毁了。当然,如果激光能量密度很大,虽然吸收的很少,但绝对量也可能很大,这时候镜子也是有可能被烧毁的。
至于那个烧杯的问题,如果真的烧两个孔的话,应该是不对齐的。但实际上能不能烧两个孔是要看实际情况的。因为不是任何波长的激光都能透过玻璃和水的。
具体的情况要具体分析,不能完全看能量密度,因为连续激光即使照射时间很长,能量很大,但是因为分散照射,最后能量集中不起来没啥用。也不嗯拧干单看功率密度,飞秒激光的峰值功率很大,但是因为单脉冲能量很低,并不能起到很好的物理损伤效果。
基本上可以用一个比较罗嗦的定义来说:在某种物理效应有效的时间尺度内的能量密度决定该效果的强弱。
比如物理损伤,其原因是光-热转变。而热效应本质上是一种机械活动,其时间尺度就是微秒到纳秒,那么如果激光持续时间长于这个,效果以功率密度为准,因为热量要散失。要是短于这个尺度,功率再大也没用,只算能量。
而倍频等非线性光学现象时间尺度是飞秒和亚飞秒,所以脉冲长于这个的纳秒、皮秒、和亚皮秒激光都看的是功率密度。要是真的有阿秒激光,那么效果就要看能量密度了(但是这种情况只在理论上存在,因为这些非线性光学现象的时间尺度一直不能清楚了解)。
这几天对科幻的题材忽然很感兴趣了,呵呵。忽然想起来如果真有什么人拿着激光扫射的话,是不是足够高反射率的精子就可以充当新时代的防弹衣。
对于激光有两种功率要区分清楚,平均功率和峰值功率,激光对材料的损伤主要由平均功率决定,总之一点,能量守恒是要牢记的。
很多激光器标注的都是峰值功率,一般激光器的平均功率都是很低的,想象一下将一个峰的功率展宽到整个频谱范围还能剩下多少,而反过来激光的重要特性就是单色性极好,即一个峰的频宽是很窄的,导致很低的平均功率照样可以得到很高的峰值功率。
在物理实验中,我们一般更关心的是峰值功率,毕竟我们不希望将样品打坏,只是需要较高的峰值功率来激发各种非线性效应。这就是皮秒,飞秒激光器的重要用处所在。
至于激光武器,由于激光在空气中的衰减很厉害,个人认为地球上可携带式的以直接物理消灭对方作战人员,武装为目的的高功率激光武器,短期内很难得到突破。当然一些类似致盲等以使作战人员武装失去作战能力的激光武器相信已经可以投入实战研究。
如果真的有激光武器用于实战,这个理论上不管什么镜子都有一定的有效距离。就像一张纸在足够远也能挡下子弹一样。
激光武器的重要性个人认为不是基于其高功率,而是基于其极好的方向性和光速的高速性。
这下丑大了……
功率,无论是平均功率还是峰值功率,和频谱宽度都是没有关系的。你说的可能是脉冲宽度。
“很多激光器标注的都是峰值功率,一般激光器的平均功率都是很低的,想象一下将一个峰的功率展宽到整个频谱范围还能剩下多少,而反过来激光的重要特性就是单色性极好,即一个峰的频宽是很窄的,导致很低的平均功率照样可以得到很高的峰值功率。”
所以上面这句话说的就有点逻辑混乱。
“激光武器的重要性个人认为不是基于其高功率,而是基于其极好的方向性和光速的高速性。”
这句话也不对,正是由于极好的方向性,激光才能在较远距离上实现有效聚焦,达到较高的功率和能量密度。
至于镜子反射的问题,我是这样想的。楼主可能误会激光武器在未来战场上的定位了。激光绝不会成为类似突击步枪的主战武器,它的主要攻击目标是信息性的,即各种精密仪器,雷达,指挥通信系统,如果技术提高了之后,还可能攻击卫星。对于单兵,它攻击的主要目标将是士兵的眼睛。
使用激光,必然是慢条斯理的,仔细瞄准,再行攻击。不会胡乱乱打的。所以用镜子反射激光是不可行的,因为你光电探测器和眼睛前面不可能放置镜子。当然望远镜避免激光攻击伤害还是有办法的,裸眼几乎就没辙了。
一般说的激光,就是脉冲和连续两种。连续激光只要不聚焦,镜子都可以反射。而脉冲激光又分为单脉冲的纳秒激光和连续脉冲的飞秒皮秒激光。飞秒皮秒激光尽管峰值功率很大,因为单脉冲能量低,所以热效应不是很明显,所以可以用一般镜子反射。但是纳秒激光器,只要单脉冲能量上到20毫焦,即使不聚焦也不能用家用的铝镜子反射了,必须使用棱镜或是镀膜反射镜。
任何反射镜都有一定的反射率,只有全反射镜损耗最小。但是全反射镜在进入和离去的界面上还是有一定损失。平面反射镜未反射的那部分哪里去了?对于金属镜来说是被吸收了,对于镀膜介质反射镜,吸收的部分很小,大部分是透过去了。所以金属镜不能用来反射能量高的纳秒激光。而镀膜介质镜也很少能反射大光谱范围的,反射率是和反射光谱范围相关的,反射范围大了,反射率就要降低。介质镜还有一个关键的弱点,它的最佳工作角是固定的,45度的就是45度的,90度的就是90度的,角度一转,反射率就降低了。不在它工作有效范围内的光,都会透过去,吸收少量,镜子倒是不容易被激光打坏(相对金属镜而言,实际上打坏也是很容易的),但是透过能量很高。
总之,用镜子防激光是很不实际的想法。使用微棱镜保护关键仪器和要害部位是可行的,但是很不可靠。
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对于军事上的致盲激光,恐怕用戴墨镜的办法是没用了。更何况那种能穿透人体的激光束了。
因为你要是能看见这个家伙,你就能用狙击步枪把他干掉,致盲,要是他不正视你,说不定啥效果都没有。
而至于用高能激光机械性杀伤人体,那还是很久以后的故事哪。现在激光技术,就是把列板技术都用上,一个脉冲出1000J也就是到顶了,这个能量也不如一颗步枪子弹。而且,能做到这个的激光器,恐怕要用大卡车来拉了。所以用激光来作单兵机械杀伤,目前还是一个比较疯狂的想法。而且,一旦战场上烟雾弥漫,呵呵,激光就傻眼了。能透过浓雾的CO2激光器能量,体积,重复频率,都没有再进一步提高的可能了。
所以我说,激光未来再战场上的作用,一是探测,二就是杀伤高价值的指挥,探测通讯设施。倒是卫星,飞机和导弹会很值得攻击。
望远镜防激光是很容易的,虽然现在作不到,但是从原理上讲很容易,只要把虚像观察方式改成实像观察方式,中间加一个高级磨砂玻璃屏(想想单反相机的取景),激光就不会再对人眼和探测器有致盲作用了。
至于精密仪器设备,要想再激光面前保护自己,就要再表面多层敷设微型角锥全反射棱镜,这个是个好主意,不过也没有能够全波段工作的玻璃材料,要是知道你棱镜的材料,用能被吸收的激光攻击,也没啥太大防护意义。
说得已经很清楚了,偶也参合一下,当作一点回忆:
激光武器的特点是功率大,反应快,误差小。我说反应快不是跟吾富兄唱对台戏。他说“慢条斯理的,仔细瞄准,再行攻击”那是准备阶段,我说反应快是从发起攻击到攻击结束时间短,对于某些定轨卫星,运行轨迹早就被计算好了,即使是多重任务,“杀手星”要进行攻击,大概也就是分分钟的事情。所以军事卫星不仅是要多颗以作备份,还要有机动能力,防护能力与变轨能力,增强存活率;从反攻的角度说,要隐藏和保护自己的“杀手星”:就是装备了激光武器的卫星。卫星对卫星进行攻击,不需要等技术成熟,而是现在就可以做到了的事情。
用激光攻击地面目标,拦截导弹现在有试验,但是也就到这一步为止:攻击变轨目标需要强大的计算能力,激光器转向也比较困难(主要因为他就那么一束,扫过去一下没碰着就没第二下的机会了);用激光武器攻击人体,属于奢侈的行为,基本上不怎么费劲,玩票性质,有攻击坦克瞄准镜,攻击士兵眼睛的,但是没啥意思,也许以后维和部队用得着。上面说的都是利用激光的高能性进行物理攻击,利用激光的单向性用于探测等等,早就有了。但是大雾一起,效果就差,还是综合各种方式的保险。
防护目前似乎很难。角度 波长等等条件决定了反射率不可能高的。激光器谐振腔内的一面是全反镜,另一面是半反镜:激光武器全反镜的反射率至少是四个九,再低就没什么意思,成民用的了,5年前看的资料最高反射率好像是七个九,一个八,虽然过了这么些年,增加也很难,恐怕还是这个数。这么高的反射率是因为已知波长加垂直入射;半反镜那边一般是80%的反射率,当激光在谐振腔中激荡能量集中到一定程度,满足了出射条件,就发射一束激光。剩下的,继续震荡,增加能量,构成循环。
评价激光强度是算功率而不算功,废话,所有机器都这样算。说多少焦是没有意义的。不过吾富兄说的那个“功率密度和能量密度”也对,就是太专业了点,我打赌很多人不知道纳秒(这个有纳米的宣传,可能知道的人比较多),飞秒,皮秒到底是多少,嘻嘻。简单说是在保证能量供应能力的基础上,单位时间内功率越大越好。
天军是个时髦的概念,好像我们国家在这个上面离老美差得并不多,还有点叫板的资格,不然打起仗来会很惨。
尤其是你对速度的解释,否则要有人被我说的话误导了。但是必须补充的是,激光攻击也不是一点时间延迟都没有的,从攻激发命令发出到激光击中目标中间间隔的决不仅仅是激光飞行的时间。因为激光器崩源启动,光开关启动,都需要时间。总时间延迟至少要200~300微秒(调Q纳秒激光器)。
对激光的防护使用介质膜全反射镜是不可能的,全反射镜的反射率是再非常窄的条件下才有效的,第一是角度,向激光腔镜用的介质膜反射镜,都是垂直入射反射的,角度一偏,反射率急剧下降。第二是波长,1064的全反,对532可能就是全透了,不用532,800nm的就已经是全透了。
我国在激光领域有一些特殊的领先之处,其实领先的地方还是激光技术的核心,就是非线性晶体。现在几乎全世界激光器都在使用中国生长的晶体了。头5年中国晶体还仅仅是价格便宜,到今年,无论价格,质量,种类,加工规格,世界上液晶没有其它的国家可以相比了。我国还掌握了高能激光晶体LBO的专利(其实要不是内耗,BBO的专利也能拿下,不至于象现在这样大家敞开了用,损失好多钱啊),深紫外激光晶体KBBO目前为止还只有中国人会长。说起来是十分荣耀的。现在激光器领域,美国是以镀膜技术和电子与设计技术领先,中国正在迎头硬撵,晶体这个核心技术已经被中国攻破,以前神乎其神的东西,被中国人变成了大白菜,想想就爽。
一直在关注这个话题,看到现在,觉得很是长见识啊。其实龙神将的某几个问题,同样也困扰我很久了;这次几位精彩的回答,也让我多少明白了一些。感谢各位!
激光的定义大家都耳熟能详,所谓受激辐射出的光。但是,这个原理是如何从工程学上实现的,各种不同手段造就的激光又有什么不同的特性,各种激光的优势和劣势……等等,就实在不知道了。。
至于激光的历史和发展,以及未来的展望,想来也该是个很有意思的话题吧。
就是不知道几位大拿愿意不愿意介绍一下呢?
盼望答应啊!