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激光能传多远呢?

来源:搜狐

  发布:星之球科技

关键词:激光器 激光技术

2018-07-15

 对于便携激光笔想必大家都不陌生,那你有没有好奇过,这种激光能传播多远?让我们想象一下,如果你在地球上,而你的老师不小心因为时空错位的原因飘落到火星,在这样的超级宇宙课堂上,调皮的你还能不能用激光笔惹恼他呢?
 
 
 
地球发射的激光传播模拟图。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会
 
好吧,不卖关子。
 
答案是,不能。
 
原因是激光在远距离的传播过程中会发散,当激光笔发出的光线到达火星时,光斑的亮度已经远远低于肉眼可见范围,比人能分辨的最弱光线暗了一百万倍,这个调皮的操作当然不会引起老师的任何注意。
 
不相信我们结论的话,不妨进行一些简单的计算,自己推出一些结果来。
 
在近期的一次天文学会议上,科学家们讨论了能否探测到系外外星人(银河系外的外星生命)发出的光子。Inside Science的工作人员从这个讨论受到启发,做了一些推算,想看看外星的“伽利略”能不能发现来自地球的光子。
 
要判断一个激光器发出的光能否被看到,我们需要借助一些简单的方程。首先要计算出激光在空间传播的过程中,它的发散程度随着距离变化的关系。紧接着,根据前面计算出的发散度,再借助简单的几何方法,就可以得到在目标点激光形成的光斑大小。最后,用激光的功率除以光斑的面积,这样就得到了目标点的激光强度。尽管人类或者外星人感知光线的能力不是简单的依靠光强度,但就推算而言,可以把光的强度和亮度视为同一事物。
 
计算过程参考:
 
本文所进行的计算,只需要三个比较简单的公式即可。首先,假设激光器均被优化到其扩展角为理论最小值,那么我们就可以使用下面的方程计算其光束发散度(以弧度为单位)。
 
(激光器的波长)/(π×激光器的孔径)
 
然后,借助几何知识得到目标点处光斑的大小。
 
π×(光束发散度×距离)^2
 
最后,将激光器的输出功率除以光斑面积来得到亮度的表达式。
 
(激光的功率)/(光斑的面积)
 
如果在计算时没有出错,而且数据分别是以弧度,瓦特和米为单位的话,最终得到的结果应以瓦特/平方米为单位。
 
在绝对黑暗中肉眼可见的最低亮度大约是每平方米一百亿分之一瓦。然而,由于存在城市光污染等原因,人们通常看不到比北极星更暗的星星,北极星的亮度是每平方米四十亿分之一瓦。相比之下,满月是每平方米千分之一瓦,比北极星亮了将近一百万倍。正午的太阳亮度高达每平方米1000瓦,比月亮亮了大约50万倍。
 
在本文中,我们将使用这些数字作为参考。
 
你的便携激光笔
 
常用的便携式激光笔发出的光,功率在0.005瓦。这看起来很小,但由于激光的波束很窄,它的能量聚集在一起,最终会形成一个很亮的光点。打个比方,在手臂远近的位置用它去照射人的眼睛,激光在眼球上形成的亮点要比正午的太阳还要亮30倍。这是一件极其危险的事,所以不要尝试将激光指向眼睛。
 
 
 
在飞机上看見激光笔发出的光。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会
 
窄波束的激光在长距离的传播后会产生发散也是不可避免的。所以在越远的地方看到光源的亮度就越暗淡。
 
我们拿红色激光笔来举例:距离它100米的地方,波束变大了约100倍,此时它看上去就像在0.91米外看一个100瓦的灯泡;离远一些,在约一万两千米高空中飞行的飞机上观察它发出的光,并且假定没有云雾的干扰,那激光笔的光点将和月亮一样明亮;在更远的地方,比如国际空间站,激光笔的亮度会降到和夜空中最亮的星星——和“天狼星”差不多。
 
对于最近被Speace X送入太空的Starman来说,红色激光笔发出的光实在是太暗了,他根本无法察觉。如果我们想要引起Starman的注意,就需要更亮的激光。
 
海军的导弹杀手
 
美国海军可能有我们需要的激光——导弹杀手。根据最近的一些报道,美国海军在研发一种实用性强而且能够摧毁来犯导弹的激光。为了符合导弹杀手的本色,这种激光要达到50万瓦的功率,比前面提到的便携激光笔强出1亿倍。看起来似乎符合我们的要求,但这种激光器发射的是红外线,而红外线对人来说是看不见的。
 
为了将推算进行下去,就假设Starman和火星人能够看到红外线吧,谁能保证他们一定看不到呢?
 
武器级别的激光器往往拥有更大的开口或者孔径。这样做会使得激光束发散现象减弱,从而将激光可以传播到更远的地方。
 
当我们将导弹杀手激光束瞄准月球,由于大孔径的原因,在月球表面会形成直径约2.41千米的红外线光斑。作为对比,便携激光笔发出的光到达月球时,将形成直径为12.87千米的斑点。
 
如果你能看到红外线,并站在导弹杀手激光束照射下的月球上,你将发现它的光芒比地球明亮大约30倍。看上去似乎已经很亮了,但如果拿它和太阳比,这一亮度仅为正午时分太阳亮度的千分之一。
 
外星人眼里导弹杀手发出的激光。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会
 
如果我们以地球和火星之间的最短距离(约为5.47×10^10米)为参考,在这个距离下,激光到达火星表面时的光斑直径在321.87千米左右。这样的亮度是可以被观察到的,它大约是天空中最亮恒星——太阳的一半,但仍然不足以引人注目。
 
看来我们需要更高能量的激光。
 
有史以来最强大的激光器
 
全世界有多家科学机构都拥有巨大的强激光器,部分设备发射的功率甚至达到了千兆瓦。想要用便携激光笔来达到这个功率,需要约10^18支,若将它们平分给全世界的人,每人能分到近10亿支!
 
如果连续工作,这种激光器将在短短的几秒钟时间里耗尽全世界的电力。
 
但幸运的是,这些激光器可以瞬间将能量释放(通常时间不到万亿分之一秒),然后把极短的激光脉冲聚焦到几千分之一毫米的点上,以此得到比太阳表面亮10万亿倍的光。按照这个方法能得到极高能量的激光,科学家们正利用它去撕裂空间,以探寻更多宇宙的基本规律。
 
如果我们只是想拿激光取乐并射向太空的入侵者,看起来似乎没什么不妥,但这样做有一个严重的缺点:太强烈的激光会激发出紫外线,而紫外线将会被地球的大气吸收,这会增加地球大气层的负担。要是我们不想造成这种后果,那就要考虑在太空中建造出房子般大小的超级激光炮,以此完成后续的探索。
 
在极短的时间内,人类是可以承担起向火星发射此类激光的。如果这么做的话,发出的光线将在火星表面形成直径约241.40千米的光斑,随之会产生出比地球正午强1000倍的紫外线。
 
好吧,要是真这么做了,那就让我们祝愿火星人也会有SPF-1000的防晒霜吧。
 
外星人受到强烈紫外线的烘烤。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会
 
令人遗憾的是,我们都知道没有火星人,甚至在太阳系中除了地球都没有发现任何生命。然而,宇宙中的系外行星不计其数,仅是被发现的就数以千计,这些行星绕着太阳系外的恒星运转,就像地球围绕着太阳一样。那么在这些系外行星中很可能出现生命体。如果我们想要试图引起他们的注意,高能量的激光也许会成为最佳的信使。
 
距离我们大约四光年的“比邻星”是离地球最近的一颗恒星,它有几颗自己的行星。如果将最强大的激光器瞄准这些系外行星,那么在激光到达的时候,光线会比人在晴朗夜空中看到的最亮星星还要耀眼。
 
因此,在我们发射激光四年后,如果这个星系的“伽利略”们恰好在夜空中观察着对应的位置,他们很可能会注意到纳秒级的紫外线闪烁,然后发出疑问:“这是什么?”
 
新的故事将由此开启……