科学解读激光击破气球中的光学奥秘!

(解读文章作者:李焱北京大学物理学院教授,中国光学学会常务副秘书长,科普中国微平台原创首发)

8月7日播出的节目实验激光击破气球,实验问题是红色染料、烟雾和火焰哪种东西不能阻隔激光。嘉宾喻恩泰率领的加油队选择了红色染料,白凯南带领的未来队认为是火焰~主持人小撒表示你们长得帅,说什么都对,当然科学是需要验证的,最终实验员在场上测试的结果表明火焰不能阻隔激光。


令我们好奇心大开的是,为什么激光具有如此巨大的杀伤力?为什么不同材料对激光的减弱程度又有很大差别?激光会对孩子的眼睛有危害吗?让我们跟着光学专家李焱教授一起走进神秘的激光世界。

为什么光穿过材料后强度会衰减?

一束强光穿过玻璃等透明材料,光强变化很小,足够强的光就能让气球很快升温从而击破它,就像主持人撒贝宁用激光笔演示的那样。

为什么绿色激光穿过红色染料和烟雾后不能击破气球了呢?这是因为光强被大大减弱了。实际上,一束入射光穿过材料后其透射光的强度与材料有非常大的关系,见下图。


入射光到达材料后一部分光被反射导致光强衰减,进入材料的光又被吸收和散射,光强进一步减弱,整体减弱程度与材料的组成和结构有关。由于存在反射、散射和吸收等过程,透射光会比入射光弱,不同的材料衰减的程度可能差别巨大。比如,透明玻璃和火焰衰减很小,透射光可以击破气球;而红色染料对绿光的吸收很强,烟雾的散射很强,均导致透射光较弱,不足以击破气球。实验中用来改变激光方向的反射镜几乎能把入射光全部反射。


为什么选择激光做实验?

激光是通过受激辐射光放大产生的相干光,光子步调整齐,行动一致,目标明确,威力巨大,具有亮度高和方向性好等特点。普通光源中的光子是非相干的,如同散兵游勇,战斗力较差。传播较长距离后,普通光源发散厉害,光强变得很弱。而激光本身强度高,发散又很小,长距离传播还能保持很强,参见下图。

激光光强高,方向性好,照射到气球上的强度就比普通光源高得多。因此,选择激光来做这个实验,就容易得多。

值得注意的是,在特别强的激光照射下,原本透明的玻璃等材料也会由于非线性吸收过程吸收激光能量而导致损伤,这也是强激光加工透明材料的机理。

激光击中目标是秒秒钟的事

激光是二十世纪与原子能、半导体和计算机齐名的重大发明,经常被称为“最亮的光”、“最准的尺”、“最快的刀”等,很容易让人联想到杀伤力巨大的激光武器。这次实验中,一提到强激光,嘉宾就露出害怕的神情,甚至躲到桌边观看,对激光的恐惧情有可原。

实际上,用高功率激光器制成的战术激光武器,可使人眼致盲,使光电探测器失效。利用高能激光束制成的战略激光武器,可瞬间摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标,是真正让敌人胆寒的“死光”,见下图。激光在空气中每秒传播30万公里,可绕地球7圈半,速度惊人,击中目标几乎不花时间。另外,激光雷达、激光陀螺、激光制导已在军事上发挥威力。

此外,激光在通信、加工制造、医疗保健、光谱分析、超快超强科学等方面也有广泛应用,下图为激光近视矫正手术示意图。

遇到激光照眼怎么破?

在有强激光的场合,一定要做好眼睛等的防护工作,比如节目中让嘉宾戴上防护镜。作为寻常老百姓的我们遇到强激光的可能性虽然不大,但如果遇到有人用较强的激光笔对着你的眼睛,也会伤害眼睛,此时如果没有防护,要马上躲闪,实在不行可以用手阻挡,也可以用反光不强的东西阻隔。镜子等反光强的东西会改变激光方向,很容易伤及别人,尤其不要让孩子直视激光,很危险。

回顾:节目中的未来博士科学课楚涵怎么说?

Q:未来博士,这个激光的实验太炫酷了~气球“砰砰砰”,可是我没有太懂,激光好抽象啊,又怎么才能阻隔它嘞?

A:首先未来博士要告诉大家激光是什么~

激光也叫作镭射,镭射是从LASER音译过来的,LASER就是这一长串词的首字母(如下图)。

@#$%^^#&…(S-MAN翻译无能)这一长串单词的意思就是说受激辐射光放大,也就是激光的产生机理。

因为激光的能量特别高,所以它也非常危险。像小撒手里的这种功率较大的激光发射器,使用它照射稍微长久一点,它的温度会造成灼伤。

【绝对不能对准眼睛或者是任何易燃的物体!!!】


so ,当激光照在气球上的时候,气球表面它就会吸收激光的能量,这时候温度会非常高~所以气球就被点破。

【看了《加油!向未来》节目,读了北京大学李焱教授的科学解读文章,是不是遇到对高大上的光学知识再也不怕了,科学在明星和专家的诠释下变得精彩有趣。敬请继续收看央视节目《加油!向未来》,同时关注科普中国的精心解读。好玩、有趣、实用,您还不速度跟上?!】

《加油!向未来》节目最近在央视火热播映,这是由中国科协特别支持,《知识就是力量》杂志倾力协助,明星与普通科学爱好者组队,为你开启科学之门的一档实验性节目。

编辑:何郑燕

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