杀敌于无形的波武器(三):激光武器

2019-10-30 16:49来源:科普中国-军事科技前沿

  出品:科普中国

  作者:岳江锋

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

杀敌于无形的波武器(三):激光武器

  五颜六色的激光(图片来自网络)

  从古代开始,人们就幻想着用光束作武器。光束每秒钟走30万千米,是当之无愧的“宇宙第一速度”。古代有关战争的典故中,就曾经记载以光为“子弹”,用镜子极快地扫射目标,达到出奇制胜的作战效果。直到20世纪60年代发明了激光器之后,人们长久以来的梦想才得以近乎完美地实现。

  激光助推了人类“以光为武”的梦想

  相传公元前3世纪,古希腊著名学者阿基米德,就采用过“光武器”大战罗马船队。他让士兵分别手执镜子,把太阳光一起反射到罗马船队,聚集起来的太阳光把罗马的军舰点燃,结果罗马军队被打败了。不过,这样的故事仅仅是传说。从实际来看,用镜子(一般是凹面镜)聚集起来的太阳光可以把火柴或者小纸片点燃的,但要把远处的军舰点燃,那就有点夸张了。

  假如要把1千米远的目标点燃火,聚集太阳光的镜子的口径就要达半千米。这么大口径的光学反射镜,不用说在古代,就是在生产技术比较发达的今天制造起来也困难。就算能造出来,在战场上立刻安装也十分费劲。在自然中,太阳光算是亮度最高的,所有其他各种人造光源的亮度都比太阳光低。用太阳光尚且做不成武器,用人造光源就更不行了。所以,尽管美丽的传说有许多,就是没有哪个古代国家真正研制出有效的“光武器”。

  1960年5月15日,美国科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。据测算,激光的亮度比太阳光还高亿万倍,利用这种新光源,使得“光武器”梦想成真。当激光器还在摇篮里的时候,美国三军就开始大谈特谈激光武器。在军队中,几乎所有人都支持激光武器的研制,都在谈论激光。在他们的心目中,激光是自原子弹爆炸以来最大的新闻,是原子弹之后在武器领域中最大的突破。

  激光究竟是怎么产生的?

  激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明。被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母简写,意思是“辐射的受激发射光放大”。激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦,1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”。

  在组成物质的原子中,有不同数量的电子分布在不同的能级上,电子吸收能量后先从低能级跃迁到高能级,然后又从高能级回落到低能级,同时释放出能量,并以光子的形式放出。这种被激发出来的光子束就是激光,其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源,激光的单色性好,亮度高,方向性好。从激光产生的机理看,它仍然离不开电磁原理,因此属于电磁波。

  激光是有颜色的,激光的颜色取决于其波长,而波长取决于发出激光的活性物质,即被刺激后能产生激光的材料。如,激发红宝石可产生深玫瑰色的激光束,它主要应用于医学领域,比如用于皮肤病的治疗和外科手术。惰性气体氩气产生的激光束为蓝绿色,它在显微眼科手术中是不可缺少的。半导体产生的激光能发出红外光,因此我们的眼睛看不见,但它的能量恰好能“解读”激光唱片,并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。

杀敌于无形的波武器(三):激光武器

  原子从某一能级吸收或释放能量变成另一能级,即“原子跃迁”(图片来自网络)

  激光武器都有哪些类型?

  如今激光武器已有40多年的发展历史,其关键技术也已取得实质性突破,美国、俄罗斯、法国、以色列等国均成功进行了各种激光打靶试验。从运载平台看,激光有陆基、海基和空基等多种部署类型。而从激光发生器的技术体制看,目前可实战应用的激光武器主要包括化学激光和固体激光。其中化学激光可方便实现大功率兆瓦级输出,进行硬毁伤或远距离干扰,但体积庞大且存在排放污染的问题,只能部署于较大的作战平台,如战略运输机等。固体激光器体积紧凑、重量轻,但目前输出功率较低,更适合对体积重量要求较为苛刻的车载平台等使用。

杀敌于无形的波武器(三):激光武器

  美军“机载激光器”(ABL)系统(图片来自网络)

杀敌于无形的波武器(三):激光武器

  美军“先进战术激光”(ATL)系统成功命中地面目标(图片来自网络)

  化学激光器是目前效率最高、技术最成熟的激光器。美军研制的反导型“机载激光器”(ABL)和用于对战术目标实施精准打击的“先进战术激光”(ATL)系统都采用了氧碘化学激光器。然而,化学激光器实战部署存在困难,主要难题包括:结构复杂庞大、重量大,战术作战飞机无法搭载,化学染料易燃、剧毒、有腐蚀性,使用维护繁琐且费用昂贵。

杀敌于无形的波武器(三):激光武器

  美军新研制的车载激光武器系统(图片来自网络)

  固体激光器具有全电能驱动的特性,这一特点使其具有结构紧凑、效费比高且可以多制式输出等优点。由于固体增益介质内部产生的热量只能由表面耗散,使得增益介质在高功率泵浦时产生较大的温度梯度,导致热应力和热畸变,从而导致热损伤和光束质量退化等问题。

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划重点

激光的单色性好、亮度高、方向性好、杀伤能量高,助推了人类“以光为武”梦想的实现。目前,可实战应用的激光武器主要包括化学激光和固体激光。其中化学激光可实现大功率兆瓦级输出,进行硬毁伤或远距离干扰,但体积庞大且存在排放污染问题,只能部署于较大的作战平台;固体激光器体积紧凑、重量轻,但目前输出功率较低,更适合对体积重量要求较为苛刻的车载平台使用。

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