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,同年 7 月 7 日,世界上第一台激光器诞生。自此,激光因其传输速度快、可重复使用、破坏作用强等特点迅速引起了军方的注意。
20 世纪 60 年代,苏联对于激光武器开发起步,提出了空基反导弹、反卫星作战平台建设。1977 年,苏联研制出其首部高功率激光武器。中国第一台激光器于 1961 年宣布研制成功,随后在 1963 年又成功研制出氦氖激光器和掺钕钇铝石榴石激光器等。
冷战中期,各国在激光武器研发方面取得了众多进展。1961 年,哥伦比亚大学率先提出利用快速存储及释放能量来产生激光巨脉冲。1962 年,贝尔实验室研制出世界上第一台半导体激光器。1965 年,美国阿维科研究实验室成功研制出连续波气动二氧化碳激光器,美军随之启动三军激光武器计划。1970 年,美空军开始建设桑迪亚光学靶场并研制高功率气动二氧化碳激光器和发射望远镜。同年,美国 TRW 公司研制出连续波氟化氘化学激光器。美陆军在 1974 年将一辆履带式水陆两栖登陆装甲车改装成激光武器机动试验装置。苏联在 1975 年 10 月和 11 月,成功使用激光器照射了美国卫星。
进入 21 世纪,激光武器的发展更加迅速。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。美国波音进行的 “激光复仇者系统”、雷神公司进行的 “激光区域防御系统” 以及洛・马公司与美国陆军合作的 “区域防御反导系统” 都是激光动能武器成功运用的例子。德国的 50 千瓦激光武器设备已经投入到使用阶段。英国国防部投入的定向能武器计划也已经在军队中得到了实际配备。随着新型激光器技术的发展,各国开始重新关注激光武器的战术价值,研发方向也从起初的追求兆瓦级战略威慑性高能激光武器,向更具实战价值的紧凑型防御性激光武器转变。
二、激光如何成为武器(一)古代的光武器梦想在古代,人们就幻想着用光束作武器。传说公元前 3 世纪,古希腊著名学者阿基米德采用 “光武器” 大战罗马船队,让士兵用镜子把太阳光一起反射到罗马船队,试图将其点燃。然而,用镜子聚集起来的太阳光可以点燃火柴或小纸片,但要点燃远处的军舰却十分困难。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。在古代乃至现代,制造如此大口径的光学反射镜都极为困难。而且在自然中,太阳光算是亮度最高的,用人造光源更难以实现光武器的效果,所以古代国家并未真正研制出有效的 “光武器”。
(二)现代激光的出现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。据测算,激光的亮度比太阳光还高亿万倍。激光被誉为 “最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,英文名 Laser 是 “辐射的受激发射光放大” 的首字母简写。激光中的光子光学特性高度一致,使得激光比起普通光源,具有单色性好、亮度高、方向性好等特点。正是这些特性助推了人类 “以光为武” 的梦想成真。
(三)激光的产生机理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 “光与物质相互作用” 的技术理论。在组成物质的原子中,电子分布在不同能级上,电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级时,会以光子的形式放出能量。这种被激发出来的光子束就是激光。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。激光的颜色取决于其波长,而波长取决于发出激光的活性物质。
(四)激光武器的类型从运载平台看,激光有陆基、海基和空基等多种部署类型。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。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。美军的 “机载激光器”(ABL) 系统和 “先进战术激光”(ATL) 系统都采用了氧碘化学激光器。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。
三、激光武器的杀伤力来源(一)烧蚀激光之所以能产生强大的烧蚀作用,是因为其具有极好的单色性,这意味着激光的波长非常单一。相比普通光源发出的混合波长的光,激光能够将能量高度集中在特定的波长上。同时,激光的能量也相当高,一旦射向目标,目标所中的部位会迅速吸收激光的能量。由于激光能量的高度集中,目标部位的材料会在瞬间被加热至软化、熔化、汽化甚至电离的程度。这种快速的能量传递和材料状态的转变会导致目标发生热爆炸。例如,当激光照射到导弹、飞机和卫星的壳体材料时,这些通常是熔点在 1500℃左右的金属材料,功率 2 - 3MW 的强激光只要在其表面某固定部位辐照 3 - 5s,就容易被烧蚀熔融、汽化,使内部的燃料燃烧爆炸。
(二)激波当目标遭到激光照射时,其表面材料会在高能量的作用下迅速汽化。在这个瞬间,气体就会快速喷射形成激波。激波是一种气流中的强压缩波,具有强大的压力和能量。目标在激光的直接照射以及激波的反冲作用下,会受到前后夹击。外表面的激光持续对目标进行加热和破坏,而内表面的激波则产生强大的反射,进一步加剧了对目标的破坏。在这种双重作用下,目标顷刻爆裂飞溅。例如,超音速运动的物体会压缩前方的气流,形成一个压力、温度和密度突然升高、流速突然减慢的波面 —— 激波。激波传播到靶材背面,会产生强大的反射。外表面的激光与内表面的激波同时对靶材前后夹击,会立即拉断靶材,造成层裂破坏。
(三)辐射激光武器在攻击目标时,除了烧蚀和激波作用外,还能发射紫外线和 X 射线,对目标内部的电子、光学器件造成损伤破坏。当较高能量的激光照射到目标表面时,目标材料表面会被电离成等离子体云。等离子体一方面对激光起到屏蔽作用,另一方面会辐射紫外线和 X 射线。紫外线的主要破坏作用是激光致盲,在毁伤空中目标方面没有太大作用。而 X 射线在光谱中能量最高,可从几十兆电子伏特到几百兆电子伏特,具有极强的穿透能力。它可使感光材料曝光,作用时间较长时可使物质电离改变其电学性质,也可以对材料产生光解作用使其发生暂时性或永久性色泽变化,对固体材料造成严重损伤。例如,强激光武器攻击目标时,等离子体云产生的辐射可造成目标本身的结构及其内部的电子元器件、光学元器件损伤。