高能激光器的挑战与未来

来源：新光电（ID:eofrontiers），作者： 西安应用光学研究所   杨红  卢卫涛

在人类历史上，战争已经经历了几个时期。长弓、石弓和剑已经支配战场几个世纪。但是，火器，这种曾被认为是粗糙且不可靠的武器，逐渐在中世纪晚期和现代世纪早期打败其它竞争武器系统，因为它们提供了其它武器系统所不能提供的潜在能力。随着科技空前的加速和指数级的变化，现在的“游戏改变者”已经成为激光武器系统。

自上世纪中叶末以来，包括美国和前苏联在内的世界各国已逐步加入到高能激光武器的研发工作中，在此项研究工作上的资金投入已经超过数十亿美元，数以百计的天才科学家和工程师们将自己毕生的心血献给了这项工作，同时也取得了长足的技术进步。

1.高能激光武器技术的概念发展

激光武器，顾名思义是利用沿一定方向发射的激光束直接攻击目标的特种武器，属定向能武器的一种，具有快速、灵活、精确、不受电磁干扰等优点。激光束以光速射向目标，射击时一般不需要提前量，几乎没有后坐力，易于迅速变换射击方向，射速高，能在短时间内射杀多个目标。与火炮不同，激光武器可将能量聚焦于很细的激光束，精确地击中目标甚至目标的脆弱部位。

人类对于激光器的设想由来已久。早在公元前212年，希腊科幻作家卢西恩就在其科幻作品中描述过“阿基米德热射线”的强大威力；1898年，赫伯特·乔治·威尔斯的科幻小说《地球争霸战》中更是淋漓尽致地展现了这种“死光”的杀伤能力；1916年爱因斯坦首次从科学角度提出了受激辐射假设；1951年哥伦比亚大学的查尔斯·汤斯和莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴斯夫和亚历山大·普罗霍罗夫发明了微波激射器；1957年哥伦比亚大学的戈登·古尔德创造“激光”一词；1960年休斯实验室的西奥多·梅曼完成红宝石激光器演示验证；1962年至2008年基恩·罗登贝瑞的《星际迷航》系列电视剧和电影。创新思想转变成技术从而永远地改变人类生活方式的例子不胜枚举。高能激光器（HEL）武器是人类第一次想象一种技术、然后得到启发进而成功研发出该技术的案例。HEL通常是指平均功率超过100kW的设备。受早期冷战环境的驱动，先进武器装备的需求以及科幻小说激发了HEL武器的支持者和开发者乐观、兴奋而热情的健康心态，经过半个多世纪的发展，人类对于激光武器的认识已经非常深刻，研发成果也变得异彩纷呈。

2.现代高能激光武器系统的特征

激光武器系统在战场上具有独特的特点。它们能够同时针对大多数严重的威胁提供独特的方案，并且能够安全完成危险的任务。与传统武器相比，激光武器有许多优点，也存在器缺点。

2.1 优点

首先，高能激光武器的一个显著特点就是传输速度快 。在复杂战场环境中，快速锁定目标非常重要。导弹很昂贵，但其锁定目标非常精确。舰炮成本是比较低，但通常需要几枚炮弹才能有一枚能够击中目标并对其产生作用。但是这两者都需要抛射装置才能飞向目标，之后才能发挥效用。而激光武器能够以光速非常精确地达到这一效果，一束激光发出后能够即刻到达目标，通过在目标上的某一点持续聚焦，在数秒之内可使目标出现失能性损伤。同时，激光武器的移动机械装置较少，能够快速应对多个目标。再次瞄准和再次聚焦反射镜能够使其在使一个目标失去能力之后，几秒之内指向另一个目标。

其次，激光武器的另一大优点是精度高，因此附带损伤小。 从根本上说，它的工作方式是，打开瞄准系统，照亮目标，决定打哪里，并将其移动到那个位置，之后开启全激光功率效果。为了达到厘米级的精确性，激光武器首先以低能量光束探测和跟踪它们的目标。随后，协同准直高能激光束射击到非常精确的点以形成理想水平的损伤。这个损伤能够通过功率水平的数量进行调整，造成的损伤能够通过激光在目标上停留的时间进行调整，因此造成间接损害的风险较低。

再次，单次射击成本低。 高能激光武器系统与传统动能武器相比的一大主要优势在于成本。对于射弹武器系统，每次射击增加的成本是弹药射击的成本。制导导弹系统成本更高，由于硬件昂贵，比如火箭发动机、制导系统和电子寻的器以及每次发射的机身。相反，激光武器只需要耗费能量。虽然开发高能激光武器时要花费数百万美元，但是一旦服役后，这些系统与传统的弹道导弹和射弹相比作战成本更低。高能激光武器击落一架无人机需要1-5美元的柴油，而导弹要花费十万美元或者更多。但是，使用激光武器的真实成本在于研发和维护这些武器系统。开火的成本相对固定。同时，激光武器具有近乎不受限的“弹药”储藏能力。因为激光武器耗费化学燃料或者电力，它们的射击次数与化学燃料或者其它燃料的量成正比。

此外，激光武器具有多级响应能力，对后勤系统的要求也较低。在相同的作战环境中，获得大量的选择去应对不同类型的威胁或者潜在威胁是非常关键的。激光能够发挥包括探测、监视并且提供目标的非致命影响，比如干扰电子系统在内的作用，而不毁坏目标。在这些增加的响应中，士兵可以选择警告（干扰敌人的系统），然后致残，以及如果需要的话可以最终毁坏目标。传统的战争严重依赖后勤。即使最好的作战计划也是需要一个庞大的后勤系统。正如上边所提到的，激光武器只需要化学制品或者燃料去产生能量。这消除了运输、储存和装载军需品的后勤链。

2.2  劣势

激光武器也有其自身的缺陷。首先，激光武器需要通过瞄准线去瞄准目标，这就限制了它能够锁定的目标数量。这个缺点的对抗措施可能使用机载反射镜。机载反射镜可以中继从陆地或者海洋平台传输而来的激光。而且，激光束通过大气传输过程中会受到大气吸收、散射和湍流的影响，发生畸变。为了调整其中一些因素，激光武器使用“自适应光学”补偿激光束的大气畸变。其次，当激光连续照射同一方向时，其传输路径上的空气受热会产生热膨胀，可能导致激光束的偏斜并且降低其击毁意向目标的能力。这个因素通常是激光束功率增加时所担心的问题。再次，一台激光无法同时应对多个目标，需要放置超过一台激光器到平台上来突破这一限制。此外，在现代战争中，大多数目标具有一些装甲；它们快速机动（因此激光光斑不能够连续地停留在目标面的单个位置上）并且有时候具有反射面。总的来说，这些质量可能使激光武器很难对意向目标造成损伤效应。最后，和在陆地和海洋一样，在空中的间接损伤日益变成一个关切问题。因为一束激光向上指向一个平台，如果没有攻击到目标，其可能以一条直线向上飞行，他可能对现在的卫星或者飞行器造成一个潜在的风险。

3.各国高能激光武器的研究历史与现状

3.1  俄罗斯的工作

根据俄罗斯公布的信息，苏联方面投资研发高能激光武器技术开始于1965年。诺贝尔奖获得者巴斯夫和普罗霍罗夫主导了这方面的工作。1965年，苏联启动了Terra-3和欧米茄项目。显然，Terra-3是针对末端导弹防御的光束武器综合方案，而欧米茄则是陆基空防。

负责Terra-3项目的巴斯夫在1976年，该小组成功地开发出了“加法器”，将2到6束独立的激光束合成为一束100KJ级的相干光束，波长为1.65微米，球面度亮度为1015至1016W /cm2，束散角小于5×10-5弧度。根据一项小规模的实验室的实验过程报告，获得了接近理论转换效率（80％）的成绩。但1978年，Terra-3项目的末端导弹防御部分正式宣布取消。

而普罗霍罗夫负责的欧米茄项目在系统概念上采取了一条不同的路径。他们从固态激光器着手，于1972年建立了代号“X-1欧米茄”的系统。它包括96（4×24阵列）台独立100千焦脉冲钕玻璃激光器。根据说明，每个单独的激光器单元具有一个平整的1000×240×40毫米的二元钕玻璃激光模块。光束的控制通过激光雷达和精密束制导子系统辅助完成。该系统用一个带有电感储能线圈的500兆瓦磁流体动力脉冲能量源发生器来供电。最有意思的是，根据使面-空导弹弹头裂为碎片所需的典型总动能，建立并评估了一个10兆焦耳能量密度的杀伤通量要求。

显然，除了末端防御外，苏联在HEL武器方面还作了其他工作，但尚未公开。过去已经公开了有关HF、DF、CO2、碘和固体激光器等方面的工作，如Raduga高能激光测试中心的平均功率达兆瓦级别的CO2激光器和莫斯科格拉纳HEL设计局的一台可达100kW的闪光灯泵浦固体激光器装置（现在闪光灯可能已被二极管取代）。

3.2   美国的进展

美国在HEL武器方面的研究工作比苏联晚几年，表1总结了美国的高能激光武器验证项目。

表1  美国高能激光器（HEL）系统验证总结