自1960年美国科学家Maiman研制成功世界上第一台激光器——红宝石激光器以来,激光以其优异的相干性、指向性和单色性,在各个行业得到了深入研究和广泛应用。从激光发明之初,研究人员就一直努力将其用于军事,并极大推动了激光器和相关科学技术的发展。美国、俄罗斯,以及德国、英国为代表等欧洲国家都已投入了大量的研发资金,并且在地基反导、地基反卫、近程防空、机载反导等方向开展了多项验证性试验,测试的多款战术型激光武器均取得了令人满意的结果。遗憾的是,由于各项关键技术的限制,至今还未有一款真正意义上的可实战化应用的激光武器列装。本期《探索光的世界》带您走进“星球大战”中描绘的激光武器的世界。
高能激光武器是指利用高功率的强激光来直接毁坏目标或使其失效的定向能武器。以上世纪90年代美国和以色列联合开展的战术高能激光武器(Tactical High Energy Laser:THEL)计划为例(下图1),典型的激光武器主要包括激光器和光束定向器两大系统。而如何实现激光快速精确地打击目标,激光在大气中稳定传输及其对目标的破坏机制则是需要重点研究的两大物理问题。
图1 THEL计划激光武器作战示意图
首先,按照美国国防部的定义,平均输出功率大于等于20千瓦或每个脉冲能量大于等于30千焦的激光器才能被称作高能激光武器。当前,已有的试验结果表明,激光器平均功率在10 千瓦量级即可击落无人机系统;而对于火箭炮、迫击炮、巡航导弹等目标,激光器的平均功率需要达到数百千瓦量级。如此高的平均功率,直接导致激光武器重量剧增,限制了其应用场景,导致美国部分近程防空、机载反导等高能激光武器计划不了了之。
其次,光束定向器用于将出射激光快速、精准地跟踪瞄准目标,从而实现对其精确打击。由于激光以光速传输,因此瞄准射击时无需计算提前量,保证激光束能够精确跟踪瞄准目标即可,这也是激光武器的典型作战特点之一。然而,由于大气是激光的传输介质,大气组分对激光能量存在一定程度的吸收和散射,导致激光能量衰减,威力下降。大气湍流也会导致激光光束质量变差,需要用复杂的自适应光学系统来进行实时校正。在雨、雪、雾、霾等极端恶劣天气情况下,甚至有可能导致激光武器完全失效(ps:“战忽局局长” 张召忠将军的“雾霾防激光”理论诚不我欺)。
高能激光武器的杀伤原理主要由激光对目标破坏机制决定,主要分为两大类,一种是激光光束长时间(数秒或更久)跟瞄辐照目标,部分能量转化为热量,使目标不断升温,造成表面融化或气化,形成凹坑或穿孔,甚至是由于高温产生的高压而导致热爆炸,造成目标结构性损毁,这种方式叫做硬破坏(下图2);另一种则是激光辐照波长对目标(如无人机等)内部的光电探测器造成干扰或破坏(致眩或致盲),这种方式叫做软破坏。对于复杂的战场环境,需要灵活选用不同类型的激光武器,从而达到战术目标。
图2 激光武器摧毁无人机系统
对于当前的高能激光武器,不同类型的激光武器都具有各自的优缺点,需要根据战术目标任务选择合适的激光器作为光源。其中,化学激光器是技术最为成熟的一类激光武器类型,也是目前唯一能够实现MW级平均功率输出,并同时具有较高光束质量的激光器。然而,化学激光器运转过程中产生的废气需要辅助排气系统处理,导致其体积、重量较大,严重限制其机载场景应用。固体包括光纤激光器是另一种潜力巨大的高能激光武器类型。特别是光纤激光器,其电光转化效率高、光束质量好、散热简单、体积紧凑,适合搭载于各种战术移动平台。
2014年,美国在“Ponce”号军舰上搭载了33 kW的LaWS系统,并完成了对小型快艇和无人机的防卫试验。近年来,碱金属蒸汽激光器快速发展,被认为是最有实现MW级功率输出的激光系统,兼顾气体激光器高输出功率和固体激光器优秀光梳质量的优点。同时,因为采用循环流动的金属蒸汽作为工作介质,散热性能优异。2016年,美国利弗莫尔实验室实现了>30 kW的铷激光输出。然而碱金属蒸汽激光器中,碱金属院子化学性质活泼,对激光腔腐蚀、污染严重。而且输出功率的提升仍然依赖于半导体激光泵浦技术的发展。
图3 光纤激光器
现代战争是涵盖多维度、多领域、全时域、高烈度的综合较量。高能激光武器作为一种新概念武器,在光电对抗、防空、战略防御中发挥出越来越重要的作用。随着技术和研发的逐渐成熟,未来高能激光武器必将成为一种攻防兼备、效费比高、优势显著的重要武器。而且随着新技术和新机理的不断研究,高峰值功率的超快激光武器也开始崭露头角,特别是基于超快光源实现的超连续谱激光武器,对于实现特定的作战任务具有出人意料的效果。超快激光光源的研究方面,华东师范大学重庆研究院在该领域处于国内领先水平,相关研究必将推动发展国内高能超快激光武器的研究。