奧特曼和怪獸的戰(zhàn)斗過(guò)程一般是：

奧特曼和怪獸先戰(zhàn)斗三分鐘,，

重傷的怪獸乖乖站在那里等死，

奧特曼發(fā)射必殺光線擊殺怪獸,。

對(duì)于迪迦奧特曼來(lái)說(shuō),，他的必殺技有個(gè)專業(yè)的名字：

哉佩利敖光線。

但是不管是哪個(gè)奧特曼,，

他們的必殺技都是以斯派修姆光線為基礎(chǔ)的[1],。

今天小編就手把手教大家如何發(fā)射高殺傷力的斯派修姆光線。

我們都知道光具有波粒二象性,，可以認(rèn)為一束光是由很多個(gè)光子組成，每個(gè)光子都具備一定的能量，光的頻率越大或者光的波長(zhǎng)越小,，光子的能量越高,。

光子能量E與頻率ν以及波長(zhǎng)的關(guān)系如下，其中h為普朗克常數(shù),，c是光速,。

下圖列舉了光的頻率（波長(zhǎng)）譜，中間彩色的部分就是我們能看到的可見(jiàn)光,，可見(jiàn)光的兩側(cè)分別是紫外光和紅外光,，更高頻率的光被稱為x射線，γ射線,，更低頻率的光被稱為微波,，無(wú)線電波等。

光的頻率譜 圖片來(lái)源：百度圖片

一束光整體的強(qiáng)度就是光的功率,，它代表一束光中光子的數(shù)目,。

要使光線具備很強(qiáng)的殺傷力，首先要保證光的功率很強(qiáng),，也就是意味著一束光中光子的數(shù)目很多,。

這個(gè)很容易理解，比如用透鏡將太陽(yáng)光匯聚可以點(diǎn)燃易燃物,，燈光開(kāi)的更亮?xí)?strong>刺眼,。

其次要保證光子能量很大。

我們經(jīng)常說(shuō)紫外輻射太強(qiáng)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害,，或者在醫(yī)院CT室看到輻射危險(xiǎn)（CT室里用的是x射線）,，就是因?yàn)檫@些光的光子能量太大。

斯派修姆光線本質(zhì)上可以看作是具備很高能量的激光,。

當(dāng)激光照射到物體上時(shí),，物體內(nèi)部的原子、離子或電子就會(huì)吸收光子的能量,。電子會(huì)被電離,；能量在原子間傳播。隨之物體的溫度就會(huì)升高從而融化,、氣化甚至變成等離子體,。

強(qiáng)激光作用到固體上面是突然給固體局部施加了了一個(gè)劇烈的能量擾動(dòng)，能量在固體內(nèi)部傳播過(guò)程中會(huì)形成應(yīng)力波,，應(yīng)力波會(huì)使固體發(fā)生碎裂[2],。

所以，奧特曼發(fā)射一束光線打到怪獸身上后,，怪獸會(huì)炸成碎片這個(gè)情節(jié)是有一定的合理性的,。

激光是具有很強(qiáng)單色性（即單一頻率）和強(qiáng)方向性的強(qiáng)光束,，那么激光該怎樣產(chǎn)生呢？

這個(gè)時(shí)候我們可以求助一下愛(ài)因斯坦,，他提出了光的受激輻射的概念,，這是激光產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

量子力學(xué)告訴我們,，在物質(zhì)內(nèi)部,，電子處在分立的能級(jí)上，當(dāng)電子處在較高能量的能級(jí)時(shí)會(huì)自發(fā)的躍遷到較低能量的能級(jí)上,，在躍遷過(guò)程中會(huì)向外輻射一個(gè)光子,，輻射的光子的能量等于這兩個(gè)能級(jí)的能量差。

自發(fā)輻射示意圖

這個(gè)過(guò)程被稱為自發(fā)輻射,。我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的熒光粉發(fā)出的熒光就是自發(fā)輻射的例子,。但是，自發(fā)輻射的光子不能被集合成激光,。

當(dāng)我們從外部照射一束光,，如果光子的能量大于兩個(gè)能級(jí)的能量差，電子就會(huì)吸收這個(gè)光子獲得其能量,，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),，這個(gè)過(guò)程被稱為受激吸收。

受激吸收示意圖

重點(diǎn)來(lái)了,，當(dāng)外部光子的能量等于兩個(gè)能級(jí)的能量差,，且電子處在高能級(jí)時(shí)，電子就會(huì)在外部光子的擾動(dòng)下躍遷到低能級(jí)并輻射一個(gè)光子,，這個(gè)過(guò)程被稱為受激輻射,。

受激輻射示意圖

我們可以注意到，原來(lái)我們入射了一個(gè)光子,，現(xiàn)在出射了兩個(gè)光子,，即受激輻射使我們獲得了更強(qiáng)的光。

在這里大家要注意一件事：

根據(jù)前面所說(shuō),，只要光子處在高能級(jí)就一定會(huì)發(fā)生自發(fā)輻射,，但是我們不希望發(fā)生自發(fā)輻射，我們希望有更多的電子參與受激輻射才能產(chǎn)生想要的激光,。

那么如何使受激輻射過(guò)程更有優(yōu)勢(shì)呢,？答案是：只要保證處在高能級(jí)的電子數(shù)目比處在低能級(jí)的電子數(shù)目多就可以了，這就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[3],。

但是，處在高能級(jí)的電子總會(huì)躍遷到低能級(jí),，那么如何保證處在高能級(jí)的電子始終比低能級(jí)的電子多呢,？

聰明的你肯定想到了：既然高能級(jí)的電子不斷地被消耗，我想個(gè)辦法從另一個(gè)能級(jí)向這個(gè)能級(jí)補(bǔ)充電子不就可以嗎？

恭喜你已經(jīng)參透了紅寶石激光器的原理,。

紅寶石激光器就采用了一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng),，能級(jí)由低到高可分為E1，E2,，E3[4],。

在氙燈的照射下：

1，紅寶石晶體中原來(lái)處于基態(tài)E1的電子在吸收了氙燈發(fā)射的光子后被激發(fā)到最高能級(jí)E3,。

2,，電子在E3能級(jí)的壽命極短，約皮秒級(jí)別,，大量粒子就會(huì)從E3能級(jí)自發(fā)輻射躍遷到中間能級(jí)E2,。

3，電子處在E2能級(jí)的壽命較長(zhǎng),，約毫秒級(jí)別,，所以E2能級(jí)會(huì)逐漸積累起大量電子，實(shí)現(xiàn)了E1能級(jí)與E2能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),。

紅寶石激光器電子躍遷過(guò)程

所以晶體就會(huì)對(duì)頻率滿足hv=E2-E1的光成分實(shí)現(xiàn)放大并輸出,。輸出激光的波長(zhǎng)為694nm的紅光。

現(xiàn)在我們通過(guò)受激輻射產(chǎn)生了大量光子,，那么如何把它們變成激光輸出到外界呢,？

我們可以在激光工作物質(zhì)（比如紅寶石）兩端安裝兩個(gè)相互平行的反射鏡，這兩個(gè)反射面組成了一個(gè)諧振腔,，這時(shí)只有和反射鏡軸平行的光才能在內(nèi)部不停來(lái)回反射[3],。

激光器基本結(jié)構(gòu)

光經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)又通過(guò)受激輻射增強(qiáng)，最終出射的激光具備很強(qiáng)的單向性,。

從上面分析可知,，激光很強(qiáng)的單向性使得光子被束縛在很小的空間中，即單位空間中的光子數(shù)目多,，所以激光才會(huì)有很強(qiáng)的功率,。

那么，現(xiàn)在就夠了嗎,？普通激光或許可以將人燒傷,，但是對(duì)比奧特曼一束光線就擊穿百米、身體堅(jiān)硬的怪獸,，我們的力量還不夠,！

那么有請(qǐng)接下來(lái)我們的主角：脈沖激光,。

我們前面所產(chǎn)生的激光是連續(xù)激光,，也就是光束的能量分布連續(xù)不斷的,。

而脈沖激光則是由一段一段的脈沖組成的光束。一束脈沖的持續(xù)時(shí)間被稱為脈寬,。

脈沖光時(shí)間波形示意圖, 圖片來(lái)源：百度圖片

我們可以作這樣的想象：

對(duì)于一束連續(xù)光,，所有的光子均勻分布在整束光中。而對(duì)于脈沖光,，光子只存在于脈沖持續(xù)的這段時(shí)間里,。

如果這兩束光的光子總數(shù)目相同，脈沖光的一個(gè)脈沖會(huì)具有更多的光子,。

脈沖激光的單個(gè)脈沖時(shí)間里有更多的光子

也就是說(shuō),，雖然兩者的平均功率相同，但是脈沖光會(huì)比連續(xù)光具有更強(qiáng)的瞬時(shí)功率,。

可以預(yù)見(jiàn),，脈沖光的脈寬越窄，激光的瞬時(shí)功率越強(qiáng),。所以產(chǎn)生具有超短脈寬的脈沖激光是我們接下來(lái)的目標(biāo),。

那么如何產(chǎn)生脈沖光呢？

前面提到,，受激輻射產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)在諧振腔里來(lái)回振蕩從而實(shí)現(xiàn)放大輸出激光,，但是諧振腔中一定是存在損耗的，只有介質(zhì)對(duì)光的增益超過(guò)損耗才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)輸出激光[3],。

我們可以調(diào)整諧振腔的損耗,。

先調(diào)整腔的損耗很大，激光器就不能產(chǎn)生激光,，這樣就可以在激光的上能級(jí)上積累大量的激發(fā)態(tài)粒子,，反轉(zhuǎn)粒子就很多。

當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到一個(gè)閾值時(shí),，突然降低腔的損耗,，大量的激發(fā)態(tài)粒子迅速完成受激輻射。

然后在下一個(gè)脈沖周期,，再進(jìn)行同樣的操作,。這樣就產(chǎn)生了很窄的光脈沖。

調(diào)整諧振腔損耗獲得脈沖激光示意圖

一般通過(guò)改變諧振腔損耗實(shí)現(xiàn)的脈沖激光的脈寬能達(dá)到納秒級(jí)別,。

我們可以通過(guò)在諧振腔里放置一個(gè)電光晶體改變其損耗[3],。

所謂電光晶體就是在一個(gè)晶體兩段施加電壓時(shí)，光通過(guò)該晶體會(huì)改變偏振方向,，這時(shí)再加入另一個(gè)偏振方向與之垂直的偏振片,，光就不能通過(guò)偏振片從而不能在諧振腔里來(lái)回振蕩了。

利用電光晶體改變諧振腔損耗產(chǎn)生脈沖激光,，圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

那么如何進(jìn)一步產(chǎn)生脈寬更短,，瞬時(shí)功率更強(qiáng)的激光呢,？

我們知道，光是一種電磁波,，光強(qiáng)主要是電場(chǎng)的振動(dòng)。振動(dòng)方向平行于諧振腔軸線的光稱為縱模,，振動(dòng)方向垂直于軸線的光稱為橫模,。

比如說(shuō)，彈簧的振動(dòng)就是一種縱模,，水波的振動(dòng)是一種橫模,。

電場(chǎng)的振動(dòng)包括振幅、振動(dòng)周期,、和相位,。

對(duì)于一般的激光器，其內(nèi)部光場(chǎng)的振動(dòng)都是完全不同且相位都是隨機(jī)的,。所以各個(gè)模式之間互不干擾,。

現(xiàn)在，我們可以在諧振腔中加入一個(gè)調(diào)制器或者加入一個(gè)名叫克爾晶體的東西使各個(gè)振動(dòng)模式之間的相位鎖定[5],。

那么在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后一些振動(dòng)模式就在各自的最大振幅處相遇,，實(shí)現(xiàn)疊加，最終輸出更大振幅,。

不同模式間相位鎖定疊加成更強(qiáng)的脈沖激光示意圖

這樣我們就實(shí)現(xiàn)了激光的鎖模放大,，通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)皮秒甚至飛秒級(jí)別脈寬的脈沖激光。

但是現(xiàn)在依然不夠,，我們還需要更強(qiáng)的激光,。

我們通過(guò)將連續(xù)光變成了飛秒脈沖激光實(shí)現(xiàn)了非常強(qiáng)的瞬時(shí)功率，那么能不能直接再繼續(xù)放大飛秒脈沖激光呢,？

答案是可以的,！

接下來(lái)我們將采用啁啾脈沖放大技術(shù)繼續(xù)強(qiáng)化我們的斯派修姆光線。

我們先將一束激光通過(guò)一組棱鏡再將其脈寬展寬,，這樣它的峰值功率就會(huì)變得很低,。

然后我們讓其再通過(guò)一個(gè)增益介質(zhì)進(jìn)行放大，由于我們事先降低了其峰值功率,，所以激光在增益介質(zhì)中增強(qiáng)的過(guò)程中不會(huì)將其損壞,。

激光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)放大后接下來(lái)再通過(guò)一組棱鏡將其脈寬壓縮，這意味著更多的光被壓縮到了一個(gè)很小的區(qū)域里,，從而極大地增大了飛秒激光脈沖的強(qiáng)度,。

圖片來(lái)源：百度圖片

值得一提的是，這個(gè)方法還獲得了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。所以?shī)W特曼憑借這個(gè)技術(shù)可以拿諾獎(jiǎng),！

我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很強(qiáng)的光功率了,，那么接下來(lái)該如何繼續(xù)提升實(shí)力呢,？

回到我們一開(kāi)始的想法，接下來(lái)是不是該增大光子的能量了,？也就是要增大光的頻率,。

1961年，F(xiàn)ranken等人將一束紅寶石激光器產(chǎn)生的紅光通過(guò)一個(gè)石英晶體,，發(fā)現(xiàn)出射的光變成了紫光[6],。

從光譜中可以發(fā)現(xiàn)，紫光的頻率是紅光的兩倍,，也就是說(shuō)他們實(shí)現(xiàn)了光的倍頻,。他們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)現(xiàn)象被稱為二次諧波產(chǎn)生。

好的我們好像實(shí)現(xiàn)了需求：增大了光子的能量,。

本篇完,。。,。,。

開(kāi)個(gè)玩笑，我們?cè)倏匆幌?strong>二次諧波是如何產(chǎn)生的,。

前面提到,，光就是電磁場(chǎng)。

在一個(gè)物體中,，原子核帶正電,，電子帶負(fù)電，電場(chǎng)作用在原子上時(shí)原子核和電子會(huì)向兩個(gè)相反的方向運(yùn)動(dòng),。

如此就形成了一個(gè)偶極子,。偶極子會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)疊加到外部施加的電場(chǎng)上，從而改變外部電場(chǎng)的大小和方向,。這個(gè)過(guò)程就是電場(chǎng)的極化過(guò)程,。

對(duì)于整個(gè)固體來(lái)說(shuō)，偶極子帶來(lái)的貢獻(xiàn)叫做極化強(qiáng)度,，通過(guò)一些復(fù)雜的求解可以知道,，極化強(qiáng)度P的表達(dá)式可以寫成外加電場(chǎng)E的冪求和，冪指數(shù)對(duì)應(yīng)幾階非線性效應(yīng),，前面的系數(shù)被稱為非線性系數(shù)[7],。

極化強(qiáng)度與外加電場(chǎng)的關(guān)系

二次諧波產(chǎn)生就是一個(gè)二階非線性效應(yīng)。除此之外還有三次諧波產(chǎn)生，它是一個(gè)三階非線性效應(yīng),，也就是說(shuō)出射的光的頻率是入射光頻率的三倍,。

在固體中通過(guò)非線性效應(yīng)可以產(chǎn)生數(shù)倍頻率的光子，基本能達(dá)到紫外光的程度,。

但是依然不夠,，我們還能繼續(xù)提升自己的實(shí)力嗎？

可以的,！

就是利用飛秒激光電離氣體產(chǎn)生高次諧波,，通過(guò)這個(gè)方法可以實(shí)現(xiàn)幾十倍頻率的增強(qiáng)，甚至可以產(chǎn)生x射線波段的脈沖激光[8],。

這個(gè)過(guò)程是這樣的：

用飛秒脈沖激光作用到氣體原子上將其內(nèi)部的電子電離。

電離出的電子經(jīng)過(guò)飛秒激光電場(chǎng)加速獲得很高能量,。

電子再與原子復(fù)合,，復(fù)合過(guò)程中電子在光場(chǎng)中獲得的動(dòng)能與從連續(xù)態(tài)到基態(tài)的躍遷能(等于電離能)之和以高次諧波光子的形式輻射出來(lái)。

除此之外,，人們發(fā)現(xiàn)高次諧波產(chǎn)生過(guò)程輻射的極紫外脈沖光的脈寬可以達(dá)到阿秒級(jí)別,。

這樣，我們不僅極大地增強(qiáng)了斯派修姆光線光子的能量,，還獲得了比飛秒激光具有更短脈寬的阿秒激光,，進(jìn)一步增強(qiáng)了光線的瞬時(shí)功率。

如此,，這樣的斯派修姆光線已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的破壞力了,。

今天的《奧特必殺技基礎(chǔ)--斯派修姆光線》就講到這里了。

你,，學(xué)會(huì)了嗎,？