激光武器的原理和特点

第二节　激光武器的原理和特点

激光是一种人造光，产生于20世纪60年代，是上世纪重大发明之一。激光的曾用名是“莱塞”，别名“镭射”，是英文缩写词LASER的音译。该词的5个字母分别为光(Light)、放大(Amplification)、受激(Stimulated)、发射(Emission)和辐射(Radiation)的字头，这揭示了激光的物理本质，即光的受激辐射放大。1964年10月，我国著名的科学家钱学森教授致函《受激光发射译文集》(即现《国外激光》)编辑部，建议将“光受激发射”改为“激光”。当年12月，在上海召开的全国第三次激光学术报告会上，由当时科学院技术部的严济慈主任主持，经过大家的讨论，正式采纳了钱教授的建议，把“LASER”的译名统一称为“激光”。就这样，“激光”一词迅速得到了社会的承认，一直沿用至今。台、港、澳等地仍然使用着音译词“镭射”。

说起激光的发展史可以追溯到1916年，著名科学家爱因斯坦首先提出了光的受激辐射理论，为激光的发明奠定了理论基础。但受当时的科学技术水平所限，激光不可能超越时代的需求而被凭空发明出来。到了20世纪50年代，光学技术和微波无线电技术得到迅速发展，迫切地需要一种像无线电波振荡器一样，能产生可控制光波的振荡器，也就是今天所说的激光器，使光波能像无线电波一样为人类服务。当时的难点是寻找合适的物质，使之产生受激辐射并实现光放大。

美国体斯公司实验室的一位从事红宝石材料研究的年轻科学家，敏锐而大胆地抓住了机会，使用今天看来比较简单的办法，终于在1960年7月发明了世界上第一台红宝石激光器。从此，光家族的新秀——激光问世了。

激光和普通光在本质上是一样的，孕育和产生它们的“母亲”就是物质中分子、原子和电子的无休止的运动。这种运动以光子的特殊形式释放出的能量，就是光。但激光又是一种奇特的光，它的发光机理与普通光完全不同。为了说明激光是怎样产生的，我们先说说普通光的发光形式。

大家知道，自然界中千变万化的物质都是由原子组成，而原子又是由原子核和绕原子核不停转动的电子组成。电子的轨道有内层和外层之分。内层轨道离原子核近，核引力小，相对应的电子的能量低，称之为低能级，这种状态比较稳定;外层轨道离原子核远，核引力大，所对应的电子能量高，称为高能级，比较不稳定。在正常情况下，多数电子都居于低能级，只有少数在高能级，而且能级越高(外层轨道)，电子数也越少，其基本呈“金字塔”分布，这是原子核引力作用的结果。当外界向原子提供能量时，原子中的电子就会从低能级的轨道跳到某一高能级的轨道上去运动。处于高能级轨道上的电子是不稳定的，它们只能停留极短暂的时间(约亿分之一秒)，然后立即向低能级跃迁，就如同物体总是往低处落，水总是向低处流一样。伴随着电子跃迁所发出的光，就是我们常见的普通光(电灯光、太阳光)。普通光都是物质的自身热运动施放的，不需要外来激发，因此，人们通常把这种发光形式叫自发辐射。

激光的发光形式与普通光就大不相同了，它必须用外来光或电进行激发，使低能级上的电子纷纷跳到高能级上;当高能级上的电子数大于低能级上的电子数时，便会出现反常分布，即反“金字塔”式分布。人们把这称为电子数反转，这是产生激光的关键一步。集中在高能级上的众多电子，在外来光或电的激发下，会同时释放光子，并跳回到低能级上来，像瀑布一样飞流直下，闪烁若繁星。众光子经过特殊的装置——光学谐振腔巧妙地定向、放大，可反复不断地激发工作物质，使其电子数总处于反转分布的最佳状态，一束罕见的强光——激光就喷射而出了。显然，这种光是受外因激发并放大的光，因而人们把它称为激光。

激光之所以能成为武器，主要是由于它本身具有的特性决定的。激光主要有四个特性，即亮度高、方向性强、单色性及相干性好。但真正能直接作为武器用的，主要是高亮度这一特性。

世界上什么光最亮?也许有人会说，太阳最亮。其实氙灯的出现，它的亮度就已经赶上了太阳，有“小太阳”之称。但激光比它们亮得多。一支输出功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度，就比太阳高100倍。而大功率激光器输出的激光亮度，要比太阳高上百亿倍。迄今为止，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光，才能勉强与之相比。

激光为什么会有这么高的亮度呢?除了它产生的原理与众不同外，再就是它的发光角小，只是普通光源的几百万分之一，这就使能量在空间上高度集中，从而极大地提高了亮度。另外激光器在发光的时间上再进行高度集中，即把一秒钟内所发出的能量，集中在百万分之一秒、甚至十亿分之一秒的瞬间内发射出去，使激光功率增大到相当惊人的程度。光能量在时间上的高度集中，从而也就提高了亮度。

可见，激光的亮度高，是由于能量在空间和时间上高度集中的结果。而正是由于这一特性，使它具备无坚不摧的巨大威力。它能产生几百万度的高温，同时还会产生几百万个大气压。高温、高压双管齐下，能将最难熔化的金属、非金属材料顷刻变成一缕青烟。试验证明，只用中等强度(几万至上百万瓦)的激光，就可以对金刚石、宝石、陶瓷……进行打孔;对各种金属材料、晶体、纸张、布毛料、厚石英及有机玻璃等进行切割和焊接;要是把高强度的(几万千瓦到上百万千瓦)的激光束会聚起来，将能击穿、烧毁世界上现有的一切武器。激光武器主要就是利用这一特性。

除了高亮度这一特性外，激光其他三个特性，在军事上也有着极为重要的用途。

激光是当今世界上方向性最好的光，它几乎是一束平行的细线，发散角极小。据估计，激光射向距离我们384000千米的月球，在月球表面上的光斑直径不超过2千米。而如果用方向性最好的探照灯，即使光线“长途跋涉”到达月球，其光斑直径至少有几百千米。激光的这一特性，在现代军事上具有独特的用途，并已经在现代战争中发挥了巨大作用。例如，利用这一特性对武器制导，精度极高。目前已经研制成功的激光制导武器有激光制导炸弹、空地导弹、地空导弹、反坦克导弹、炮弹等。美国的激光制导炸弹，70年代在越南战场使用，曾用20枚炸弹成功地摧毁了17座桥梁，取得了意想不到的效果。其误差在1米左右，比普通炸弹精度高上百倍。激光制导的“铜斑蛇”炮弹，命中精度为0.3～1米。在1991年初的海湾战争中，激光制导武器攻击军事设施、桥梁等目标，几乎百发百中，取得极佳的战果。又如利用激光瞄准，就可指哪打哪，百发百中。利用激光的高方向性，在军事上还可以实施激光“警卫”。

激光具有极好的单色性，是颜色最纯的光源。雨后复斜阳，彩虹架长空，这是我们常见的自然现象。因为太阳光不是一种单色光而是复合光，它包含所有可见光的波长，也就包括世界上所有的颜色，通常说的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色只是概略的划分，还可细分为成百种甚至更多的颜色，只是由于人眼分辨颜色的能力有限，难以区分更多的颜色。如通常所说的红光，就包含了0.63微米～0.76微米范围内各个波长的光，严格地说它不是单色光。光的波长范围越窄，光的颜色就越纯，即称单色性好。通常规定波长范围小于十亿分之几米(10～10米)的光，为单色光。激光的出现，在光的单色性上引起一次大飞跃。如单色性较好的氦氖激光，它的波长范围只有10～9纳米(10～18米)，单色性比普通光要好几亿倍。这个非同寻常的特性，决定了激光在精密测量上可以大展“才干”。用激光来测量，测量几十米的长度，误差仅为0.1微米。用激光测量地球与月亮的距离，其误差不到1米。激光测量在军事上应用十分广泛，如炮兵观察用的激光测距仪，可以准确测定目标距离;又如侦察卫星或飞机上装备的测高计，可以从高空中辨别出地面上凹凸不平的公路、树木、机场上的跑道，甚至海浪起伏等，其测量精度可达百分之一米，比普通光测计精度起码提高几百到上千倍。

激光还具有极好的相干性。所谓相干，就是同一光源发出的光通过两平行的狭缝时，若两个狭缝运出的光波相互抵消，在光屏上就产生暗条纹;当两个光波相互加强时，在光屏上就产生亮条纹，结果便形成一组明暗相间的干涉条纹。这个光源称为相干光源，所发出的光称为相干光。普通光源发出的光，在频率、相位和传播方向上是各不相同的，不会产生稳定的干涉现象，因此是非相干光。而激光来源于受激辐射，大量的光子彼此具有相同的相位。犹如一队排列整齐、步调一致的队伍，因此，激光具有比普通光更好的相干性。利用激光的相干性，可以为军事侦察提供更好的照片。如利用相干性原理制成的激光全息照相，不仅逼真、生动，而且立体感强，分辨率高，照片特别易于判读。据说美国利用军事侦察卫星在越南上空拍下的激光照片，就能清晰地看出地面上的房屋、工事、车辆、树木及许多细小的东西。

激光武器究竟是一种什么样的武器?是由什么组成呢?激光武器，一般由大功率的激光器、目标跟踪引导系统、指挥控制中心及电源等部分组成。(https://www.daowen.com)

大功率的激光器，是激光武器的基本部分。目前已报道的激光器的最高输出功率为:连续波型40万瓦，脉冲型10万瓦，脉冲宽度为纳秒级。人们把脉冲能量大于1焦或平均功率为2万瓦的激光武器称强激光武器或高能激光武器。它以最大的光能迅速准确地摧毁目标，如把目标表面熔化、破坏结构部件、引起目标燃烧、将生物和人烧成灰烬等。因此，激光波束的跟踪瞄准，精确地引导波束射向目标是非常重要的。

目标跟踪系统将对目标的位置和速度进行精确的测定，保证不丢失目标;而引导系统将激光束准确地引向目标，稳而准地打击目标。如激光射束的能量以光速精确地沿跟踪器的瞄准轴传输，那么瞄准轴的方向就是激光射束的引导方向。

对于快速飞行目标(导弹弹头、航天武器等)，在击毁目标前必须预先计算出命中点，而命中点计算不精确是一般防御武器命中精度不高的主要原因之一。当目标是一个机动飞行器，这问题就更为突出。如果传输是由反射镜快速而精确地完成，瞄准系统本身的引导精度就可以解决，这时引导精度仅依赖命中点的计算精度。目前机载激光武器的跟踪精度可达万分之几度。

激光武器的杀伤破坏原理，与激光的功率密度、输出波形、波长等激光本身的因素以及目标的材料性质(简称靶材)有关。激光与目标相互作用时，会产生不同的杀伤破坏效应。概括起来说，激光武器的杀伤破坏效应主要有如下三种:

1．烧蚀效应。一束强激光照射在目标上，部分能量被靶材吸收后转化为热能，使靶材表面迅速汽化，强大的蒸汽高速向外膨胀，同时可将一部分液滴甚至固态颗粒带出，从而使靶材表面形成凹坑或穿孔。这种烧蚀作用是激光对目标的基本破坏形式。如果激光参数选择得合适，激光束在使靶材汽化的同时，还能使靶材深部温度高于表面温度，这时内部的过热材料由于高温而迅速产生高压，发生热爆炸，使穿孔的效率更高。

2．激波效应。激波是指气流中的强压缩波。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，这个波面就称为激波。当靶材蒸汽向外喷射时，在极短时间内给靶材以反冲作用，相当于一个脉冲载荷作用到靶材表面，于是在固态材料中形成激波。激波传播到靶材背面，会产生强大的反射。这样一来，外表面的激光与内表面的激波同时对靶材前后夹击，立即拉断靶材，造成层裂破坏。而裂片飞出时也有一定的动能，这也有一定的杀伤破坏能力。

3．辐射效应。靶材表面固体汽化而形成等离子体云，等离子体云大量地吞噬激光能量，一方面对激光起到屏蔽作用，另一方面又能够辐射出紫外线甚至x射线，造成靶材结构及其内部的电子、光电元器件损伤。这种紫外线或x射线比激光直接照射引起的破坏更为有效。它们可以对激光武器的杀伤起到推波助澜的作用。

说一千，道一万，激光武器与常规武器相比到底好在哪呢?

一是“零”飞行时间，精度高。普通的炮弹或导弹射击目标时，根据弹丸或导弹飞行的弹道规律，先用雷达进行测量，再利用指挥仪中的计算机快速求出提前量，待一切就绪之后，还要等距离适宜，方能开火或发射导弹，否则将是盲人放枪——瞎打一气。即使这样，还可能因普通弹头飞行速度慢而常常“贻误战机”。激光武器就不一样了，激光光束是以光速向前传播的，对它来说，飞机、大炮的炮弹和导弹等飞行物体，基本上可视为“静止”目标，射击时可以不考虑提前量。因此，发现目标后，响应快，命中精度高，目标在一定程度上丧失了逃避的机动能力。比如在30千米处发现正在飞行的导弹时，激光光束只要0.0001秒的时间即可到达目标，而在这样短的时间内，目标仅飞行0.6米左右。对于几米长、直径为2～3米的导弹来说，这点距离是微不足道的。

二是无惯性。一般枪弹都有后坐力，而且弹丸质量越大，射击速度越高，后坐力也越大;而激光束质量近似于“零”，发射激光时基本不产生后坐力，所以激光武器属于无惯性武器。作战时，可通过转动反射镜迅速改变作战方向，发射频率高，可短时间内对付多个目标，非常方便灵活。一旦发现目标，即可迅速射击，百发百中。即使将激光器安装在飞机或卫星上，向空间任何方向发射，都不影响射击精度和效果。

三是可无限次发射。只要能源充足，激光武器原则上可以无限多次发射，而一般武器的发射都是有限次数地发射，因此它的成本低，效费比高，尤其是对付大规模来袭目标更具重要意义。

四是无污染。激光武器属于非核杀伤，不像核武器那样，除有冲击波、核辐射等严重破坏外，还存在着长期的放射性污染，造成大面积区域的污染。激光武器无论对地面或空间都无放射性污染。另外它也不会像通常的炮弹那样，把战场弄得“乌烟瘴气”。可以说是名副其实的“干净”武器。

五是抗干扰能力强。激光虽易受电磁脉冲和地球磁场及其他磁场的影响，但在电子对抗环境中仍能精确地命中目标。

激光武器上述的五大优点，是常规武器难以比拟的。只是目前由于激光武器尚处于进一步研制和试验阶段，不少关键技术有待突破，如，功率不够的问题，犹如火候不到水不开，对高空目标就显得力不从心;又如跟踪、瞄准设备问题，因为激光速度快，所以对这些仪器的精度要求也就特别高，精度上不去，就使激光武器难以淋漓尽致地发挥威力。此外，激光武器本身也有其固有的弱点，如大气对激光有衰减作用，随着射程的增加，武器的威力也会下降，云、雾、雨、雪、烟等都是激光难以逾越的天然屏障。也正因此，激光的用武之地主要是太空或高空大气层，其次才是海上和陆地。