激光槍擊中物體的效果到底是穿透還是擊飛?
現在科幻片激光槍一般都被描述成一個鑽子,擊中後就在人體上開個洞。但是如果能量大到一瞬間就能燒穿人體,瞬間蒸發的氣體也會產生推動力吧。這個是激光打在水滴上的樣子。
WHAT IF: 激光雨傘
都做不到。現實中的激光武器只能做到燒烤。美國的ABL是747平台搭載的激光武器,這麼大的飛機也只能做到加熱導彈使導彈的燃料箱發生爆炸。
不過這種武器用來反衛星還是很好的。這種強度的激光足以燒毀衛星的儀器,太陽能電池板。而且不會產生大量的碎片。不過反衛星是等級很高的戰爭行為,只有全面戰爭才會這麼做。講光壓的可以洗洗睡了, 放個屁的衝力都比這個大.
題主講的應該不是那種靠"亮瞎"光感元件的激光, 而是指功率大到可以"燒穿"的那種.
別管現實中到底有沒有.
但是這麼大功率的激光可以造成照射點汽化, 這就是衝力的來源.
還記得那個水滴在燒紅的鐵板上彈跳的實驗么? 無非就是接觸鐵板的水珠被汽化, 蒸汽將水滴向上"沖",而使得水滴在鐵板上彈跳.
所以, 只要激光的功率可以達到汽化目標表面的材料, 那麼就會形成一定的推力. 如果功率大到一定程度, 目標被蒸發的氣體向後推動也不是什麼不可能的事情.
我們先從初中物理角度出發理解這個問題:為什麼會出現打飛的現象?四個字就可以解釋:(忽略外力作用下)動量守恆。也就是說如果我們忽略掉摩擦力空氣阻力這些外力,即讓系統滿足動量守恆條件,那麼這裡動量的來源就只有光子了。
然後初中的盆友們就該噴了:「你別鬧了,光子是沒有質量的哪兒來的動量?」好的那我們繼續上升到高中物理水平:光子的確是沒有經典質量(學名:靜質量)的,但是從相對論出發,因為光子有能量,根據著名的、印在無數 geek tee 上的愛因斯坦質能方程就可以求出光子的相對論質量為能量除以光速的平方,而光子的能量就是更加著名的普朗克常數乘以光子的頻率。所以根據動能動量轉換公式可得 $$P_{photon} = frac{h}{lambda}$$,或更常見的 $$P_{photon} = hbar k$$。假設光波長在近紅外波段,量級為 10^-6 m,根據普朗克常數可以估算出光子動量大概在 10^-28 千克米每秒。假設這個激光是連續激光且功率是一百瓦(我同事被 100 W 激光打過一次瞬間就焦了,筆者最慘也就被 20 W 的打過指甲蓋,撕心裂肺了五分鐘。題外話,在激光安全教育中經常會提到的一個典型是某激光切割操作人員的某處組織被加工用高能飛秒激光打穿,而因為組織內沒有感覺神經所以根本不覺得疼,而皮膚上也沒有任何損傷於是就沒當回事兒。結果第二天結局跟麥兜里不聽話的小盆友一樣,死了。死因是組織受損產生了毒素。),也就是每秒 100 焦耳,而每個光子的能量大概是 10^-19 焦耳,所以該激光器大概每秒鐘產生 10^21 個光子,換成自然語言就是十萬億億個,這一秒鐘激光所能給出的最大動(沖)量就是 10^-7 千克米每秒。大概是個什麼樣的概念呢,你在大馬路上走然後正在看著雲做雲計算結果不小心撞到了一個人的時候,你大概交出了 60 千克米每秒的動(沖)量。那麼請感受一下激光對你的影響吧。
針對問題的情況,水滴的質量大概是 10^-5 千克,所以理想狀況下這個激光器大概每秒能給水滴每秒一厘米的速度,而實際激光和水滴作用的時間可能也不過 10 皮秒(納秒的千分之一。水滴的尺度約為毫米量級,除以光速 10^8 米每秒)。如果考慮鏈接中給出的情況即脈衝激光器(輸出並不連續,而是一個由許多脈衝組成的序列),假設激光光脈衝的脈寬就是 10 皮秒,重複頻率是10 kHz,也就是每秒有 10000 個時間寬度為皮秒量級的脈衝,那麼每個脈衝里就有大概 10^17 個光子,那麼在這個作用時間裡水滴只能得到每秒不到 1 毫米的速度。而水滴受到的激光的力的來源就是我們通常說的光壓,或是輻射壓。
上面的問題解釋清楚了,我們就可以繼續進入大學物理知識了。光與物質作用是有許多模型進行描述的,比如吸收,傳播,散射,反射等等。而最根本的且通俗的模型就是物質的能級理論,具體可以參考鄙人這個回答(光能等同於熱能嗎?)。也就是說,上面對水滴的計算都是假設水滴對光完全不吸收甚至完全反射的,而實際情況就要進一步考慮目標物體對電磁波的吸收反射波段以及光源的光譜了,可能熱效應直接讓目標發生物態變化或直接燃燒。 如果這裡用的是飛秒脈衝激光的話,就沒熱什麼事兒了,激光直接把目標物體解離成原子,目前高端激光加工用的多是這類激光器,因為沒有熱效應所以可以更精確的控制加工作業(www.youtube.com/watch?v=GaEeudx5SXs)。
目前對於光壓我能想到的兩個應用就是太陽帆和光鑷。前者目前只用於太空中的小幅修正,
而後者是依靠激光橫模的高斯分布從而在光束內部產生力場,而將栗子束縛在光束內部。已經廣泛(大霧?)用於激光對分子的操控領域。
如有錯誤請盡情指出,本人的人生劣勢就是次冪運算......
請玩EVE, 參考四大種類武器的描述,激光只有電能和熱能傷害,現階段可以實現的激光武器都是通過高溫融化分解被打擊物體結構實現打擊效果的。看起來很華麗可是摧毀物體的過程很平淡。。
艾瑪帝國的激光炮太娘炮了。。還是大聯邦疾速炮牛逼,啪啪啪的聲音太帶感了。
如果僅考慮激光的直接作用,
熱效應頻譜區最靠譜的是 biubiubiu, 發熱,再 biubiubiu 融化,功率再大一些是 biubiubiu氣化。
頻率在紫外區以及再往上的是默默地直接解離,功率越大,解離越快。
如果再往上到達伽瑪射線級別,應該會產生可觀的動量效應,功率大一些,靠電磁力紐結的物體會瞬間崩散(參考龜派氣功波),根本試不出激光的威力了。至於碰到更強的材料,大劉在三體2裡面水滴大戰太空艦隊有詳細描述。
結論就是:TM激光這種娘炮武器biubiubiu地,一點都不帶感一點都不燃啊。果然大侵徹力大動靜的動能武器才是王道。吃我一記中子星炮彈!一般情況下高能激光武器的毀傷是依靠熱效應,融化或者蒸發被照射點的物質,所以打在固體物質上一般是一個洞。
水滴飛散是被蒸氣衝散的,所以如果激光能量夠高的話,在照射點瞬間產生大量蒸氣,還是可能產生蒸氣爆炸的,當然效果遠遠趕不上炸藥爆炸這種化學反應(黑索金炸藥燃燒速度是8000+m/s)。
這個跟激光的能量、功率和物體的大小都有關係。如果是大功率激光器的話,即使打到透明度很高的光學玻璃上,吸收掉的那很小一部分能量也會讓玻璃整個碎掉。一般事先會估算好鏡片能承受的範圍來避免這種情況,因為這種鏡片有的是非常貴的(幾W),所以通常跟著一起碎掉還有實驗人員的心。
去年夏天在國內某大型激光裝置上做過一組實驗,激光能量是8×250J,與步槍子彈的槍口動能相當,但是時間寬度較短所以功率是TW量級。這麼強的激光不能連續打的,打完一發後要等幾個小時。當時用的靶是幾個毫米見方大小的金屬片,打完後完全找不到了就。據工作人員說,年底清理靶室時底下會有一層很細的金屬渣渣。
最後附上當時TP到的視頻的截圖,主激光到來一瞬間。把視頻拆開後發現只有這一幀畫面的左側半邊是亮的,前一幀和後一幀都是黑的(推測CCD是從左至右一條一條刷新的)。可以看到透過靶室窗口散射出來的光還是很強的(聽說發生過在場人員沒有把眼睛閉上而被照瞎的事故)。木哈哈哈哈,終於有個對口的問題了,手機占坑,晚上好好回答一下。
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這個坑真是好久了,雖然也沒有怎麼上知乎,還是填了吧,雖然並沒有什麼人看。有圖……
激光與物質相互作用是一門很深的學問,現在國內光學專業博士生大多靠這個方向畢業,也是最近很火的一個領域,原因嘛……國家推動唄,其中包括但不限於「激光武器、激光通訊、激光大氣通訊、激光海底通訊「等,其中激光武器,也就是提問的所說的激光槍,而實際上,現在更多的是激光炮……並且不是科幻!!!它長這個樣子!
還有俄羅斯的這個樣子:
圖片完全來源於網路……
下面回答問題。
激光武器只要有兩種類別,一種是美國的,超高重頻窄脈衝激光。另外一種是中國與俄羅斯的長脈衝大能量激光。波長均為1064nm。
兩種激光武器的作用機理不一樣,所以要分開介紹,先說美國的哪種。
窄脈衝激光的作用機理類似問題圖片中的樣子。使用超高的峰值功率損壞器件,其中熱的作用很少,主要是光子與物質直接作用損壞器件。其中脈寬越短,熱的作用效果越少,舉個例子。
納秒脈衝激光可以切割鋼鐵,但是很難切割晶體,原因是作用時間過長,能夠使晶體炸裂。
皮秒脈衝激光可以切割藍寶石,切口光滑,熱作用小,不會損壞寶石。
飛秒脈衝激光可以切割晶狀體與視網膜,熱的作用微乎其微,不會損壞其他器官。
就是這種差別。
再說美國與俄羅斯的激光武器,長脈寬大能量,一般是微秒與毫秒脈寬。
作用機理完全是熱,灼燒效果明顯,可以理解為用煙頭燙……
完全沒有實驗圖,沒有數據圖,沒有毀傷圖,為什麼?
因為全都涉密……
實際上,我們知道激光是能與物質相互作用的,至於作用的定義就不累述了。
一般來說,像實驗室里做實驗的飛秒納秒激光打在空氣上都會產生電離。而像打靶玻璃上,是能觀察到在玻璃內部有痕迹的,而外部到痕迹間卻似乎沒觀察到有蝕痕。實際上激光光路是穿過了整個靶玻璃的,但經調整手段是可以使激光在到達靶位前不破壞玻璃,(因為玻璃是透光的)而在到達玻璃靶位的時候再進行作用。我個人更傾向是擊穿電離。但實際上光壓也是有的。但我不太熟悉光壓的機理以及我也覺得光壓相對於擊穿的效果並不那麼明顯。
在某工廠實習的時候見識過小功率的激光切割機。功率小到只能切割不厚的玻璃,只是作為一個示範用途而已。但是這個機器的激光功率太小導致射出的激光不太容易用肉眼辨認,有一次示範。一個哥們就用手在激光照射點的前端揮了揮。然後,這哥們的手掌中間有一個非常明顯的發灰的點。手背上也有。
爆炸 被你照到的物體瞬間固體被燒成氣體
不妨從輸出波長出發討論一下。
對於大功率長波輸出激光器,輸出能量主要產生熱效應。比如工業切割鋼板用的激光切割機,就是通過產生大量的熱,使被切割的鋼板在被激光照射的地方熔化達到切割目的的。可以百度到激光切割機的圖片上,鋼板被照射的地方有大量的火花出現,就是因為這個。
而對於大功率短波輸出激光器,由於其輸出波長較短,光的頻率就更高,每一份光子的能量就越大。被照射的物體一般是直接氣化了,沒有產生大量的熱效應,也就是「冷激光」。近視眼激光手術就是用這個原理,氣化部分角膜以改變屈光度治療近視。如果用長波激光器,估計角膜會被燒熟吧。。。
回到題主的問題,到底激光是穿透了目標還是擊飛了目標呢?
在長波條件下,物體被集中的部分由於熱效應沸騰,蒸發了,激光束才能繼續前進;若物體的熔沸點極高呢?那麼瞬間只會產生熱效應,就要考慮這一束激光的光動能對物體的慣性有沒有影響了,但是如樓上一位的回答,這點光壓還沒一屁勁大呢。。。因此只有質量極低、熔沸點的物體才會被擊飛。
在短波條件下,同樣的物體被照射的部分吸收了大量的能量,無法維持穩態,氣化了。所以短波條件下物體也是被擊穿的。假設有一個由極其穩定的物質構成的物體,它的熵無限小,那麼又回到了這個物體的慣性與光動能傳遞的問題了,結果。。。你懂的。
所以現在結果已經明了了,那就是目前根本不存在激光把被照射的物體擊飛的情況,因為每一份光子具有的動能太小了啊!光子幾乎沒有質量的啊!!所以激光器的功率再高,輸出功也會通過熱效應(長波輸出)和能量傳遞(短波輸出)把能量傳遞給被照射物體,產生相應的後果。至於被照射的物體因為蒸汽被推動。。。這好像和推力的計算有聯繫,我不是很懂這個。。。但是直覺來說,應該是不可能的。
題主給的圖片,我沒分析錯的話應該是長波輸出把這滴水給燒開了,水滴從被照射方向開始沸騰的瞬間吧。。。失重環境下一顆液滴被激光照射?有意思。。。之前算過納秒激光打孔,衝擊波壓力大概有80個多大氣壓。這個壓力夠嗎?
1,一般的激光加工時靠光的熱效應,就是把光的能量來轉化成熱量來融化材料,被稱為光的熱加工。一般用二氧化碳激光器,紅外光。
2,一般的激光武器都是亮瞎,打坦克,打飛機,打衛星都是打他們的「眼睛」。
3,精細加工有用光的光子解釋,用的光,頻率較高,動能較高,可以理解成是那光子去撞擊材料,根據動量守恆,材料的原子脫離基質。被稱為光的冷加工,切口平整度比熱加工要好。
不要看物體,要看原子。
激光光子的能量會很大部分傳遞給靶物質的表層原子。然後問題就來了。表層原子吸收的能量夠不夠電離能級,夠的話會轉化成等離子體進一步轟擊靶物質,轟擊出更多低能量的原子。這時候靶物質同時表現出蝕刻和位移。
不夠電離能級,那麼主要表現為熱效應,表層原子劇烈震蕩,並向內傳遞熱,向外輻射長波光,靶物質表現出融熔甚至汽化。
至於光壓什麼的,都是扯淡的。太陽帆到底是靠粒子射線驅動還是光子驅動都沒啥定論。
激光與物體作用會有光壓 光腐蝕 光擊穿等一系列作用 首先要看材質才能定下來主要作用是哪一方面
學熱的。僅僅從圖片來看,個人認為激光的熱效應起作用較大。激光作為熱輻射,在射中水滴後能量沿著路徑被水滴吸收,能量不斷衰減。在近源處吸熱量最大,最先汽化,體積急劇膨脹,推動未來得及汽化的遠源處水滴向更遠處運動,形成如圖所示。
讓光學的在讀研究生來給你解釋下,本人做的方向與光鑷有關。
先說句淺顯的:一發子彈打在人體上是穿透,打在鐵球上就是擊飛。激光類似。所以主要要看激光的性質和被射物體的性質。
我們可以把激光歸類於光,中學物理告訴我們,光是有波粒二象性的。我們假設一束光射到了反射鏡上,光被完全反射,光的動量被改變,那麼根據動量守恆,平面鏡就會受到一個光給它的力,這個力就叫光壓。(開下腦洞,因為光壓的存在,《星球大戰》里,只要那個激光劍夠nb,你穿一身反射鏡也不等於無敵鎧甲)這就是你那幅圖裡水滴被打到形變的原因。當介質的折射率改變時,光有折射和反射的性質。(例如:筷子在盛有水的水玻璃杯里像是折斷了)所以在激光打到水滴上時,一部分穿透,一部分反射,就有了你發的那圖的情況。激光高能量產生高溫溶化物體是你說的穿透情況,了解不多,不具體說了扯了一大堆居然沒說到點上。
之前有超高速相機成功記錄了當電筒的光打入瓶子的水瓶中的水,瓶中的水晃動了一下,當然用人眼是不可能觀察到的。
http://phys.org/news/2011-12-trillion-frame-per-second-video.html
http://www.straightdope.com/columns/read/2987/do-shadows-weigh-anything
當然我們沒辦法測量光的重量,但是被光照射到的物體的確產生了重量上的變化,例子:
當光照射6.5cm的木塊時木塊重了0.000000001gram
當然著小到我們觀察不到,但是當如果面積夠大時有趣的事情就發生了。
芝加哥在一個陽光明媚的日子就重了140kg這是因為陽光給與地面大面積的壓力,如果地球沒有磁場跟大氣層的保護這數據將會更高。
這也是太陽帆的最根本實行原理。
我覺得不是光會產生壓力,而是激光接觸物質產生瞬時高熱今兒產生壓強衝擊。
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