激光武器讲解.pdf

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1、致命的闪光：激光武器终初露端倪 致命的闪光 导读： 在经过了数十年的时间和无数次的失败、耗费了数以亿计的美元之后，今天，激 光武器终于初露端倪。它们能让战场上的硝烟和爆炸成为历史吗？ 这样的战争甚至可以用“优雅”这两个字来形容。没有弥漫的硝烟，没有震耳欲聋的爆 炸，这一切都将被一束束悄无声息的激光所取代。前年，美国空军的合同承包商对波音747 飞机进行了改装， 为其安装了化学激光武器并进行了试验。经过改装后带有激光武器的波音 747 飞机能在弹道导弹距离目标还有上千千米时将其击毁；“定向能量”火炮能以光速对战 术导弹进行拦截，将其烤焦并在半空引爆。这并不是上世纪80 年代美国里根政府“星球大

2、战”计划中的幻想，而是在大约10 年前提出的现代计划，而且这一切的实现都不是在遥远 的未来， 而是在不远的明天。在位于美国新墨西哥州沙漠中的白沙导弹基地外，美军的战术 高能激光已经摧毁了数十枚“卡秋莎”火箭弹和炮弹。然而，前些年的发展却给激光武器的 热爱者当头泼了一盆凉水，激光武器的前景突然变得像“星球大战”计划那样黯淡。要产生 足以将一枚导弹烧焦的、能量高达数千千瓦的激光，需要上千升的有毒化学物质乙烯基、 氮基和三氟化物，这样的激光武器不仅异常笨重，更糟糕的是， 发射不了几次就必须重新装 填一批化学物质。 将数量庞大的有毒化学物质安放在飞机中或是运送到战场上的想法令将军 们望而却步。此外，在

3、大雨或者浓雾中激光的穿透力也会大打折扣。去年，美军取消了他们 的战术高能武器项目，很多人都认为， 下一个马上就会轮到预算严重超支的747 激光武器发 射平台。 但是， 激光武器的魅力是难以抗拒的，尤其是其经过超远距离后仍然具有极高的精 度这一优点令美国军方对其难以割舍。“没有声音、 没有烟雾， 悄无声息地就能将敌人击倒， 而且还能长时间地射击而无需装填，”美国海军陆战队的Bradley Lott少将说，“如果激 光武器能具有这样的性能，那将是海军陆战队员梦寐以求的。”既然化学激光器无法满足要 求，那么如何才能获得具有实用价值的激光呢？我们可以按照下面的两个步骤进行。首先， 五角大楼意识到， 如

4、果想获得实用的激光武器，就不能操之过急， 必须首先将预期目标降低。 例如，不要一开始就要求激光武器能摧毁弹道导弹，而可以从火箭弹这样相对容易的目标开 始。其次， 必须有新的技术出现。两种在“星球大战”计划时期提出的激光技术自由电子 激光器和固体激光器最近又被重新提出，在美国军方的支持下，提出这两种技术的实验室 现在又满怀信心地开始了工作。 曲折之路所有激光器的工作原理都大同小异：让某种类型的原子处于激发态，这些原子 就会释放出光子。释放出的光子被反射回被激发的原子中，导致更多的光子被释放出来。但 是与灯泡发出的散射的光不同，这些光子具有极佳的方向性，反射回的光子与两次激发出的 光子的路线完全相

5、同。此外， 与由光谱中几乎所有波长的可见光合成的普通光线不同，激光 的波长是单一的( 具体的波长取决于产生激光的增益介质，即原子的类型 ) 。只要将足够能量 的激光照射到物体上，物体表面就会产生高温直至燃烧。第一次激光试验是上世纪60 年代 进行的， 当时采用的增益介质是红宝石晶体。但是这种最早期的固体激光器产生的激光只有 几百瓦的功率这种激光对于眼外科手术来说倒是正合适。而要摧毁一枚导弹，激光的功率 必须达到几千千瓦，这也是科研人员放弃了早期的固体激光器、转向笨重的化学激光器的原 因，可最终等待他们的依然是失败。然而，还有另外一种产生激光的方法，采用这种方法的 激光器不需要大量有毒的化学物质

6、，不需要晶体， 甚至不需要增益介质，这就是自由电子激 光器 (FEL) 。这种激光器利用超高能量的电子束来激发反应。这种类型的激光器是“星球大 战”计划和美国国家导弹防御系统的核心，也是科学家George Neil和 Bob Yamamoto合力 为导弹防御系统合同承包商TRW 公司开发的最神秘的武器。很多人都对激光武器丧失了信 心，认为那只不过是一个看上去很美的幻境。但是，TRW 公司自由电子激光器项目的首席科 学家 Neil 和工程师 Yamamoto都不这么认为。 他们都是激光武器坚定的支持者和虔诚的信徒， 他们认为只要经过足够的研究，用自由电子激光器击落巡航导弹并不是什么幻想。而且退一

7、 万步讲， 即使最终无法击落巡航导弹，相关的研究也会极大地促进原子物理学、光学和超导 技术的发展。但是在经过10 年的研究、耗费了5 亿美元的资金后，TRW 公司实验室里面的 自由电子激光器仅仅产生了功率为11 瓦的激光差不多相当于一个灯泡的1/10 。又经过了 几年几乎毫无进展的研究之后，五角大楼终于失去了耐心，并于1989 年中止了合同。“星 球大战”计划作为一个笑话被扔进了垃圾桶。Neil对此感到十分愤怒。他认为，是军方过 高的期待和不切实际的计划葬送了他的激光武器。在此后几年进行的一些科学会议上，Neil 不断鼓吹重新启动自由电子激光器的研究。“人们都认为我一定是疯了，他们觉得这种激光

8、 器根本不可能实现。”他说，“而且从当时的情形来看，他们这么想是有道理的。”在“星 球大战”计划惨败之后，Bob Yamamoto有 15 年的时间没有接触任何军用项目。他转而为TRW 公司自由电子激光武器的合作伙伴之一、劳伦斯利弗莫尔国家实验室工作，负责建造供高 能武器试验用的磁场。劳伦斯利弗莫尔国家实验室位于加利福尼亚州伯克利附近，那里正 是 Yamamoto成长和上大学的地方。在这里他找到了新的乐趣改装汽车并与他童年时的玩 伴进行赛车。无论是在实验室还是车库，Yamamoto都获得了善于攻坚的名声。由于这个名 声和之前在激光领域的工作经验，他于2003 年开始主持一个由美国军方资助的、总

9、金额为 5000 万美元的固体激光项目。由于相关技术的进步，固体激光这种曾一度被认为是不可行 的技术又让人们重新看到了希望。Yamamoto认为，固体激光技术和他之前参与研究的自由 电子激光技术一样完美而迷人。“人们在定向能量武器上已经花了几十年的时间，”他说， “我希望自己是第一个将其变成现实的人。” 枪口之下 Yamamoto的固体激光器的核心部件是一系列面积约6 平方厘米的透明薄片， 这些略带紫色的透明薄片正是那种我们期望能让军舰和飞机上的火炮射出激光的东西。这些 薄片是加入了钕元素( 在受到激发时， 钕原子就会释放出光子，并最终形成激光) 的陶瓷状物 质。尽管它们并不能持续不断地产生激

10、光( 每发射 10 秒钟就要冷却至少1 分钟 ) ，但是其产 生激光的能力永远不会衰减。此外固体激光器还有另外一个显著的优点，那就是体积很小。 Yamamoto的固体激光器长度还不到9 米，很容易就可以装进一辆卡车在战场上进行机动， 然后对战术导弹进行拦截。“我等待这一天已经很久了。”Yamamoto说。 Yamamoto设计的 固体激光器能够在战场上使用的另一个原因是人们对激光武器的期望降低了。要引爆160 千米外的一枚巡航导弹需要的激光功率为几千千瓦，固体激光器发出的激光永远也达不到这 个功率。但是要照射并引爆一两千米之外的一枚火箭，只要100 千瓦的功率就足够了。 Yamamoto已经接

11、近成功了。他向我展示了几十片5 厘米见方、 2.5 厘米厚的钢板和铝板，每 一片上面都布满了烧灼的痕迹和熔化后留下的孔洞。一片编号为“6 -6- 05”的钢板几乎已经 完全熔化了，熔化的金属在钢板的底部形成了泪珠一样的痕迹。“你相信这一切是真的 吗？”他带着孩子气的笑容高声问我，看上去一点不像一个50 多岁的人。“就像被一道闪 电击中了一样， 钢板在瞬间就熔化了。这真是令人感到不可思议！”通过改进增益介质和提 高脉冲频率，这位利弗莫尔国家实验室的科学家在去年3 月将激光的功率提高到了45 千瓦 几乎比3 年前提高了3 倍。我到达劳伦斯利弗莫尔国家实验室的那一天，这里正处于一 片紧张的气氛之中。

12、每片陶瓷增益介质都被一组由2880 个发光二极管组成的阵列环绕着， 看上去就像是个钟控收音机。当这些发光二极管发出闪光时，会激发陶瓷增益介质中的钕原 子，开始产生激光的连锁反应。但是，发光二极管的数量越多，温度的不均匀也就越严重， 这将导致最终产生的激光质量下降。这是一个严重的问题，因为五角大楼要的是完美、连续 的激光脉冲， 最好能像是一束连续的激光一样。一个军方的小组在下个周四要来这里进行检 查，检查的结果将直接影响Yamamoto的小组能否获得他们开展下一个项目的资金资助开 发 100 千瓦的、武器级的激光器。所以，Yamamoto的小组正在对备用光学系统一组带有 200 多个激励器的棱镜

13、，可以对激光的缺陷进行补偿进行最后的检查。在我们的交谈结束 的时候，他很有礼貌地对我表示歉意说：“实在是对不起，我们现在正处于枪口之下。” 一波三折当我于几天后遇到George Neil时，他倒并不是那么匆忙。这位清瘦的58 岁 长跑运动员 ( 不久前他刚刚参加了在加拿大落基山脉举行的、全长125 千米的马拉松比赛， 这项赛事一向有“死亡竞赛”的美称) 已经在自由电子激光器行业投入了超过1/4 个世纪的 时间。至少还要数年的时间，他的自由电子激光器的功率才能达到Yamamoto的固体激光器 目前的水平， 所以他有足够的时间，领着我在位于弗吉尼亚州纽波特纽斯市的托马斯杰斐 逊国家加速器实验室中转

14、转。他打开了两扇磁力门，里面杂乱无章地堆满了72 米长的铜管、 钢管和橡胶管。 所有这些管子都是为了同一个目的制造的：生成强大的电子脉冲，并将其加 速到 0.99999 倍光速。在经过精确调节的微波场中，管道中的电子脉冲会吸收能量并加速， 随后进入摆动器。在那里，电子在29 个磁体的作用下上下运动，释放出光子，开始产生激 光的连锁反应。 Neil的摆动器的作用就相当于Yamamoto的固体激光器中的陶瓷增益介质和 化学激光器中有毒的化学物质。他下一步的改进方向是提高电子束的能量和质量。美国军方 对自由电子激光器发出的激光波长可调这一优点很感兴趣。绝大多数波长的激光在穿过大气 后强度会降低， 一

15、场小雨也会使激光的威力减弱，但是自由电子激光器则可以根据天气情况 选择合适的激光波长，从而尽量避免能量的损失。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的主任助理 Doug Beason 认为他们的固体激光器已经夺得了激光器竞赛中的奖杯，但是别人就不能再将 其夺走吗？在“星球大战”计划之后，超级长跑家Neil调整了自己的时间和步伐，耐心等 待着自由电子激光技术的发展。他用了 5 年的时间为托马斯杰斐逊国家加速器实验室建造 了一台巨大的粒子加速器，实验室的主任承诺在那之后他可以重新开始自由电子激光器的研 究。终于，在1995 年， Neil和他的小组研制出了一台能产生1 千瓦激光的自由电子激光器 不是像上世纪80

16、 年代人们期望的那种超级激光器。1999 年，他们的自由电子激光的能量 超过了“星球大战”时期各种激光器的记录。2003 年，新的自由电子激光器发出的激光能 量达到了10 千瓦，创造了新的记录。“我始终相信这一天会到来，”Neil带着得意的微笑 说，“只要我们向一个合理的目标前进。”现在，Neil的自由电子激光器又重新吸引了美 国军方的注意，五角大楼每年为他提供1400 万美元的资金，用于自由电子激光器的研究。 美国海军希望能在下一代的驱逐舰上安装自由电子激光武器。现在的军舰上缺乏能拦截导弹 和“基地”组织在2000 年用于袭击“卡尔文森号”航母的那种小艇的精确武器。激光武 器是个理想的选择，

17、但是在充满水蒸气的大海上，只有自由电子激光器才能完成这项任务。 去年 12 月，Neil等到了一个巨大的好消息，美国海军为其提供了一份为期8 年、总金额 1.8 亿美元的研究项目。 “有很多困难的问题需要解决，”Neil说，“但是，我们终于起步了。 ” 在兴奋的同时， Neil 也感到有些不安， 因为这份合同是在同他的老朋友、老同事 Bob Yamamoto 竞争之后得到的。 他的成功就意味着Yamamoto的失败原本计划用于Yamamoto小组开发武 器级固体激光器的资金转而投向了诺思罗普格鲁门公司的一个研究小组。格鲁门公司研究 小组与 Yamamoto小组的固体激光器设计并没有很大不同，只

18、是用几块较小的晶体取代了 Yamamoto的固体激光器中较大的透明陶瓷。每块晶体上汇聚的能量都较小，因此产生的激 光的缺陷也相对较小。“我们对一块口香糖大小的晶体竟然能产生如此巨大的能量感到惊 讶。”格鲁门公司研究小组的项目主管Jeff Sollee说。这是一位在定向能量武器方面有 30 多年经验的老兵，参与了美军绝大多数“战术高能激光武器”项目的研究。五角大楼给 了 Sollee 33 个月的时间，让他开发出武器级的固体激光器。与此同时，尽管没有得到五角 大楼的认可， Yamamoto仍在默默地对他的激光器进行改进。这种局面并不完全出乎他的意 料，在他的生涯中也不是第一次面对这种局面。“从现在开始，我们要非常非常的低调。” 他说，“但是，我们还没有失败。”