激光原理及应用分析..

1、激光武器原理及应用分析摘要激光武器在现代战争中发挥越来越重要的作用。本文论述了现阶段激光武器应用原理、毁伤机理、特点及分类。对激光武器的发展现状进行了介绍和讨论，并对其未来发展趋势和重要作用进行了展望。着重介绍以美国为主的国家在激光武器技术方面进行的研究和进展。关键词：激光；武器；应用AbstractLaserweaponsareplayingamoreandmoreimportantroleinmodernwarfare.Thepaperdiscussestheapplicationoftheprinciple,damagemechanism,characteristicsandclassi

2、ficationofthepresentlaserweapon.Thestatusofthedevelopmentoflaserweaponsareintroducedanddiscussed,meanwhilethefuturetrendsandtheimportantroleofthelaserweaponsareprospected.FocusesontheresearchandprogressoflaserweaponstechnologyintheUnitedStates-basednations.Keywords:Laser;Weapon;Application引言激光武器是一种定

3、向能武器，它利用强大的定向发射激光束直接毁伤目标或使之失效。用高能量，大功率的激光束代替常规子弹攻击目标物体，是由于激光武器具有：（1）高速度，激光以光速进行传输，从激光器出口到目标的时间可以不计，争取了作战时间。（2）反应灵敏，激光器射出的光束质量近于零，可在短时间内对不同方向的来袭目标进行打击。（3）命中精度高，激光武器是将能量汇聚成很细的光束准确的对准某一方向射出。（4）杀伤力可控，可通过调整和控制激光武器发射激光束的时间或功率以及射击距离来对不同目标分别实现非杀伤性警告，功能性损失，结构性破坏.（5）抗电子干扰能力强，激光武器射出的是激光束，现有的电子干扰手段对其不起作用。基于这众多优

4、势，激光武器将在反导，反卫星和破坏敌方信息系统中得到广泛应用。1激光武器分析激光武器(LaserWeapon)是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。1.1 应用原理激光击毁目标有两个方面：一是穿孔，二是层裂。所谓穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化，进而汽化蒸发，汽化物质向外喷射，反冲力形成冲击波，在靶材上穿一个孔。所谓层裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被电离，形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏。除此以外，等离

5、子体“云”还能辐射紫外线或X光，破坏目标结构和电子元件。1.2 毁伤机理激光武器之所以有如此巨大的杀伤力，主要在于它的高能量和高功率。一般通过以下三步对目标物体实行毁灭性的破坏。第一：热作用破坏，只要激光功率足够高，被激光照射的目标物体局部会瞬间汽化，当持续汽化很强烈时，材料蒸汽高速喷出，同时将部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出来，从而造成凹陷甚至穿孔。第二：力学破坏，蒸汽高速喷出时，对目标物体会产生强大的反冲作用，这使得在目标物体内部形成激波，激波传到目标物体的背面，产生强大的反射。外表面的激光与背面的激光对目标物体形成前后夹击，使目标物体变形破裂。所以即使没被烧蚀摧毁，也会因为受力学破坏而严重

6、影响其技术性能。第三：辐射破坏：当激光照射到目标物体表面时，被汽化的物质会被电离成等离子体云，等离子体云辐射出紫外线和X射线，对目标物体造成损伤。1.3 特点分析激光武器是一种定向能武器，利用强大的定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效。它是利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标的高技术新概念武器。强激光武器有着其它武器无可比拟的优点，强激光武器具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰、持续战斗力强等优点。美、俄、英、德、法、以色列等许多西方国家都在积极发展强激光武器。激光武器经过三十多年的研究，已经日趋成熟并将在今后战场上发挥越来越

7、重要的作用。高度集束的激光，能量也非常集中。举例说，在日常生活中我们认为太阳是非常亮的，但一台巨脉冲红宝石激光器发出的激光却比太阳还亮200亿倍。当然，激光比太阳还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的能量非常集中。例如，红宝石激光器发出的激光射束，能穿透一张3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活地改变方向，没有任何放射性污染。激光武

8、器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器主要指高功率强激光武器，它是一种利用激光束摧毁飞机、导弹、卫星等目标或使之失效的定向能武器。按搭载的载体不同，激光武器可分为：舰载式、车载式、机载式、地基式、星载式（天基）激光武器系统。激光武器作用的面积很小，但破坏在目标的关键部位上，可造成目标的毁灭性破坏。这和惊天动地的核武器相比，完全是两种风格。战术激光武器的突出优点是反应时间短，可拦击突然发现的低空目标。用激光拦击多目标时，能迅速变换射击对象，灵活地对付多个目标。激光武器的缺点是不能全天候作战，受限于大雾、大雪、大雨，而且激光发射系

9、统属精密光学系统，在战场上的生存能力有待考验。陆军的快速发射高炮的炮管寿命短，连续发射几分钟后就要更换，而激光武器不存在多次发射的寿命问题。可以预计，未来在弹炮结合防空武器系统的基础上，将出现将新型防空导弹、高炮和激光武器三结合的对空防御系统。其中，激光武器主要拦截从低空、超低空突然来袭的近距离目标，这有可能大大提高对精确武器的拦截溉率，解决当前存在的极近程防空问题，并可用于保卫重要目标，如重要机构、指挥中心、通讯和动力中枢等研制的激光武器的体积一般较大，重量较重，所以各国首先考虑舰载应用。1.4分类激光武器经过不断的开发和研究，目前已有了重大的进展，低功率激光武器已经开始装备部队，高功率激光

10、武器也日渐成熟。按不同分类方法可将激光武器分为不同类型，从作战性能上可分为低能激光武器和高能激光武器；按激光生成方法可以分为化学激光器、固体激光器、液体激光器和自由电子激光器等，其中激光器是激光武器的关键技术部分。2激光武器的现状分析本文按激光生成方法的分类并以美国的激光武器为例对激光武器的现状进行分析。2.1化学激光器利用工作物质的的化学反应所释放的能量激励工作物质产生激光，例如以氟化氮作为氧化剂使得乙烯燃料在燃烧室内发生燃烧，在燃烧室的下游，氘氦混合气体被注入燃烧后的尾气中，产生自由的DF分子，这些分子在激光器的谐振腔内受激发后，产生激光。目前常见的化学激光武器有氧碘激光器，氟化氢激光器，

11、氟化氘激光器等。其中氧碘化学激光器首先被美国用于ABL计划（机载激光器计划），试图采用氧碘激光器在12千米高空摧毁320千米正在进行助推飞行的有敌意的导弹。在发展ABL项目的同时，1977年美国空军发明了新的氧碘（COIL）化学激光器，它的能量转化效率达到20%作用，后来继续发展用于现在空基激光器（ABL，现已经改名为ALTB）。图1ABL计划(ABL计划使用波音747-400F飞机作为载机，装载功率更高的氧碘化学激光器，设计目的是能拦截同时发射的5-10枚弹道导弹)氧碘激光器具有更大的功率，在体积、功率、重量和可靠性上形成了一个平衡。但是目前为止，化学激光器共有的缺点就是需要耗用大量的化学燃

12、料，这使得体积庞大，且排放的尾气对环境会造成污染甚至伤及自身。2.2自由电子激光器自由电子激光器(FEL)利用自由电子的受激辐射，把电子束的能量转换为激光。具体实现是电子从原子脱离后，通过线性加速器加速到高能态，这些高能态电子被导入到摆动器，迫使它们以光子的形式释放出能量，当光子进入谐振腔后，光子在谐振腔两端的反射镜之间来回运动，并激发出更多相同频率的光子，最后形成一簇连续的光束发射出去。上个世纪80年代星球大战计划就是使用大功率陆基自由电子激光器进行防御，但由于成本技术和战略转向等原因取消，但仍为美国自由电子激光器的发展打下了基础。美国海军研究实验室(ONR)从1996年开始自由电子激光器的

13、研制，2004年激光器功率已经到了10KW,2007年达到25KW。2009年根据报道，美国海军研究实验室分别和波音与雷锡恩公司签订合同，提供100千瓦级自由电子激光器的初步设计。另据美国导弹防御内情报道，美海军研究实验室(ONR)定向能项目负责人QuentinSaulter称，自由电子激光器(FEL)将可能在2020年前部署成为舰船防御敌方导弹的武器，并最终将安装在例如DD(X)等下一代驱逐舰以及CVN21等级的航空母舰上。该激光器最近被放置在美国能源部“托马斯国家加速器”实验设施中，它由ONR定向能计划负责提供资金，但是研究成果同样可供陆军、空军、工业界以及研究学术界使用。该激光器的灵活性

14、和波长范围是它优于其他类型激光武器的主要原因。Saulter称，FEL提供的强光束，能够被调谐到一个特定的波长，并且比从常规激光器得到的光束功率更高，FEL能被调谐到不同波长的能力使它成为舰船防御的更合理的激光器类型一一因为它的光束不受大气干扰，而在海面上这种干扰非常严重。他们的研究表明=在近海作战中，热晕限制了高能激光束的大气传输，因此，也就限制了激光武器的效能。而传统的DF化学激光器的波长对于沿海的环境并不是最佳的，使得至少60%发射功率在攻击过程中被大气散射。Hi.-中Jftd>4-h:j71图2自由电子激光器主要结构和工作原理的示意图导弹防御内情的报道称，经过20多年的发展，美国

15、海军已经已建成了兆瓦级的DF化学激光器(MIRACL)和海石束定向器(SLBD),目前它们是构成位于新墨西哥州的白沙导弹靶场的“高能激光系统试验装置”的主要武器之一，一直用于试验和验证几种激光武器概念。随着近年来作战环境发生了巨大变化，美国海军也开始了它的作战转移，即从远洋作战转变为沿海作战，作战形式也由进攻型海战转变为舰只自卫，因而,应对日益严重的巡航导弹威胁成为海军高能激光武器计划的主要目标。作为海上应用的激光器，克服海洋环境引起的传输效应是至关重要的。美国海军多年来一直努力开发大功率定向能技术，但由于化学激光器的工作波长，使其发射的激光在到达目标之前容易被大气吸收，因此不得不放弃了大功率

16、化学激光武器的开发，但对利用激光器保护舰船对付巡航导弹的研究资助一直没有放弃。FEL的出现被美国海军相关机构认为是一个更好的替代品。2005年6月，FEL获得了25千瓦的红外激光，并成为世界上同类激光器中功率最高的激光器。海军研究后方管理者JayCohen在2005年5月的一次工业界会议上称，“我们将在接下来的5年里达到100千瓦，这是实现杀伤所需的最低功率。”尽管自由电子激光器同时还具有高效率，高功率，激光质量好等优点。但是由于其体积巨大，高功率的反射镜制作困难，且需要可供应大量电力的供电系统，目前仍得不到广泛应用。2.3 固体激光器固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质，一般采用光学透明

17、的晶体或者玻璃作为基质材料，掺以激活离子或者其他激活物质等构成。其中，对于玻璃激光工作物质，容易制成均匀的大尺寸材料，用于高能量或高峰值功率激光器。但荧光谱线较宽，热效能较差，不适合高平均功率下工作。而晶体激光物质具有良好的热性能和机械性能，且有窄的荧光谱线，但不易获得大尺寸材料的晶体。目前，美国进行的秘密试验中，其最新的激光防空武器击落了数架无人飞机。而这最新的激光武器就是固体激光武器。激光器以32千瓦的能量在数秒之内将无人飞机烧毁。图3美国陆海空三军联合研制高能固体激光器相比化学激光器，自由电子激光器，固体激光器体积和重量上得到了更好的控制，且价位便宜，取材方便。而且最近几年快速的发展使它

18、的输出功率已达武器级的lOOkW。但由于固体激光武器光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，再加上其他的损耗，因而能量转换效率仍然是不高的。4激光武器的发展趋势分析由于美国在激光武器的研制方面发展很快，已走在了世界的前列，因此在激光武器的未来发展方面，主要以美国的发展态势来分析。美国目前主要有：IFX计划；未来机载激光武器；反卫星计划等。4.1IFX计划IFX计划，是美国天基激光武器发展计划，是美国防部科研局与美国空军共同勾画的21世纪用激光武器进行太空作战的美好蓝图。此计划预计到2013年完成，计划的前期和中期工作目前已完成，美空军正集中精力攻克难关。目前，美国防部认为，太空激光武器是用

19、来摧毁洲际导弹、助推阶段的战役-战术导弹最有效的武器，并且能在百到几千公里的距离上摧毁空中和太空中的任何其它目标。美国科研局在导弹防御计划中关于这个问题主要从事两个方面的工作：研制高能化学激光和研制识别目标、跟踪目标系统、目标制导系统以及火控系统等。太空激光武器还存在许多尚未解决的难题，包括：怎样把大型的激光装置送入轨道，主要原因就是发光装置主镜的直径过大，解决的主要办法是研制能在运载火箭的货舱内放得下的折叠式主镜，并且在太空激光武器进入预定轨道后能自动打开。还有一个问题就是，怎样向轨道上的太空激光武器补充化学介质，在将来激光武器使用的都是化学激光，没有介质就不能发生化学反应，也就不能产生激光

20、。美国科研局和美国空军，在太空激光武器的下一阶段的主要任务是集中精力攻克上述难题。4.2未来机载激光武器美国设想的未来机载激光武器的性能如下：飞机机舱内储存的激光介质射击次数能达到40次；辐射目标的时间为3-5s；激光功率为3MW兆；最大射程为600km；平均巡航时间为48h。在为反导系统研制机载激光武器的过程中，美国防部对研制战术型机载激光武器产生了浓厚的兴趣。波音公司已进行了功率约为300kW的激光实验，这种激光装置安装在V-22飞机上。预计这种激光武器的输出功率为100-200kW；从地面射击空中目标时射程为10km，而从空中发射打击地面和空中目标时射程为20km。预计把V-22飞机、C

21、H-47直升机、AC-130特种飞机作为这种激光武器的作战平台。在这种激光武器中还准备使用由TRW公司研制的固态激光武器。目前，美军研发较成熟的定向能武器是激光武器。高能激光能打击对手包括卫星和轨道站在内的太空资源，破坏其侦察、预警、通讯和指挥等各种关键能力，确保美军“在太空、从太空和通过太空”遂行作战行动。而空基激光武器则可成为美国导弹防御系统的重要环节。激光武器装载在飞机上，在导弹发射的助推段即进行拦截，这要比陆基和海基高空拦截系统等进行中段拦截的武器平台更有优势。因为在导弹飞行的助推段难以变轨，飞行轨道容易测算，遭到拦截的导弹碎片也将落在对手境内。4.3 反卫星计划美陆军激光反卫星武器系

22、统的主要设备是MIRACL和主照射镜为1.5m的海石光束定向器（SLBD）。美国防部目前正在实施“2010计划”主要内容是在美国和盟国上空，用反卫星激光武器迷盲非友好国家卫星。“美国空军2025年”战略规划的研究报告认为，2025年世界地缘政治将发生重大变化，传统战争等级之间的界限变得模糊不清，发达后的工业社会之间的大多数主要战争，甚至可能不会在地球表面发生，冲突可能会部分或主要发生在空间或信息空间。美军在外层空间作战的战略构想中最核心的系统之一是全球打击系统。它由空基高能激光武器、天基动能武器和跨大气层飞行器组成。空基高能激光将会借助卫星上的反射镜（轨道镜），对地面、空中以及轨道上的目标实施打击。目前天基激光武器系统的发射费极高，是哈勃空间望远镜的3倍多，天基激光武器的重量一般小于10万磅（每磅合0.454kg）,目前每一磅的发射费用高达4万美元。4结束语激光武器以光速交战提供了一种崭新的杀伤机制，具有使军事能力取得真正突破的潜力，将使战争发生革命性变化，而可能成为未来战争的杀手锏。强激光武器是一