杀敌于无形的波武器（三）：激光武器
出品：科普中国
作者：岳江锋
策划：宋雅娟
监制：光明网科普事业部
五颜六色的激光（图片来自网络）
从古代开始，人们就幻想着用光束作武器。光束每秒钟走30万千米，是当之无愧的“宇宙第一速度”。古代有关战争的典故中，就曾经记载以光为“子弹”，用镜子极快地扫射目标，达到出奇制胜的作战效果。直到20世纪60年代发明了激光器之后，人们长久以来的梦想才得以近乎完美地实现。
激光助推了人类“以光为武”的梦想
相传公元前3世纪，古希腊著名学者阿基米德，就采用过“光武器”大战罗马船队。他让士兵分别手执镜子，把太阳光一起反射到罗马船队，聚集起来的太阳光把罗马的军舰点燃，结果罗马军队被打败了。不过，这样的故事仅仅是传说。从实际来看，用镜子（一般是凹面镜）聚集起来的太阳光可以把火柴或者小纸片点燃的，但要把远处的军舰点燃，那就有点夸张了。
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。这么大口径的光学反射镜，不用说在古代，就是在生产技术比较发达的今天制造起来也困难。就算能造出来，在战场上立刻安装也十分费劲。在自然中，太阳光算是亮度最高的，所有其他各种人造光源的亮度都比太阳光低。用太阳光尚且做不成武器，用人造光源就更不行了。所以，尽管美丽的传说有许多，就是没有哪个古代国家真正研制出有效的“光武器”。
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，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。据测算，激光的亮度比太阳光还高亿万倍，利用这种新光源，使得“光武器”梦想成真。当激光器还在摇篮里的时候，美国三军就开始大谈特谈激光武器。在军队中，几乎所有人都支持激光武器的研制，都在谈论激光。在他们的心目中，激光是自原子弹爆炸以来最大的新闻，是原子弹之后在武器领域中最大的突破。
激光究竟是怎么产生的？
激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明。被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母简写，意思是“辐射的受激发射光放大”。激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”。
在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的能级上，电子吸收能量后先从低能级跃迁到高能级，然后又从高能级回落到低能级，同时释放出能量，并以光子的形式放出。这种被激发出来的光子束就是激光，其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源，激光的单色性好，亮度高，方向性好。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。
激光是有颜色的，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，即被刺激后能产生激光的材料。如，激发红宝石可产生深玫瑰色的激光束，它主要应用于医学领域，比如用于皮肤病的治疗和外科手术。惰性气体氩气产生的激光束为蓝绿色，它在显微眼科手术中是不可缺少的。半导体产生的激光能发出红外光，因此我们的眼睛看不见，但它的能量恰好能“解读”激光唱片，并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。
原子从某一能级吸收或释放能量变成另一能级，即“原子跃迁”（图片来自网络）
激光武器都有哪些类型？
如今激光武器已有40多年的发展历史，其关键技术也已取得实质性突破，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。从运载平台看，激光有陆基、海基和空基等多种部署类型。而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。其中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。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。
美军“机载激光器”（ABL）系统（图片来自网络）
美军“先进战术激光”（ATL）系统成功命中地面目标（图片来自网络）
化学激光器是目前效率最高、技术最成熟的激光器。美军研制的反导型“机载激光器”（ABL）和用于对战术目标实施精准打击的“先进战术激光”（ATL）系统都采用了氧碘化学激光器。然而，化学激光器实战部署存在困难，主要难题包括：结构复杂庞大、重量大，战术作战飞机无法搭载，化学染料易燃、剧毒、有腐蚀性，使用维护繁琐且费用昂贵。
美军新研制的车载激光武器系统（图片来自网络）
固体激光器具有全电能驱动的特性，这一特点使其具有结构紧凑、效费比高且可以多制式输出等优点。由于固体增益介质内部产生的热量只能由表面耗散，使得增益介质在高功率泵浦时产生较大的温度梯度，导致热应力和热畸变，从而导致热损伤和光束质量退化等问题。
激光的几个常识！
物质受激辐射发射强光的基本物理原理，早在1917年就由爱因斯坦提出。不过直到1960年，才在美国造出第一台真正的激光发生器，人类才第一次见到了激光的真容。原子受激辐射发光，所以叫“激光”。其原理在于原子中的电子吸收能量后，会从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被激发出来的光子束，其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性更好，亮度更高。1958年，美国人肖楼Schawlow和汤尼斯Townes发现了一种特殊现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了一套原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，
都会产生不发散的强光。不过此时的这束强光还不能算严格意义上的激光。不过两人因为共同发表了有重大价值的论文，因此获得了1964年的诺贝尔物理学奖。此时距离真正的激光只有一步之遥。1960年5月，加州休斯实验室的梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是有史以来第一束真正的激光，梅曼成为第一个将激光现实化的发明者。到了1960年7月，梅曼公开了世界上第一台实用激光器。其方案是，利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石。红宝石的物质基础其实是含有铬原子的刚玉。当红宝石受到强光激励时，就会发出红光。在一块外层镀上反光层的红宝石的表面钻一个孔，光从这个孔溢出，就是一束相当集中的纤细红色光柱。这台最原始的激光器，从一开始就显示出其当武器的惊人潜力。
当光束集中射向一点时，可使物质照射表面迅速超过3万摄氏度，比太阳光球层的温度都高几倍。地球上几乎没有什么物质可以承受如此剧烈的高温。如果多束激光叠加或者聚焦，会让焦点上的物质瞬间灰飞烟灭。在美国人宣布发明红宝石激光器的当年。苏联人巴索夫又发明了半导体激光器。其特点是尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。因此后来的大多数低功率激光实用装置和激光通信大多数用半导体激光。后来人们对激光的激励方式进行了更深入的探索和总结，发现有几种激励方式。1，光泵式激光器。包括绝大多数的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。也就是等于用一束普通光激励出真正的激光。2，电激励激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，也可采用高能电子束注入方式激励。
3，化学激光器，属于用化学反应释放的能量对工质进行激励的激光器。这种激光可以做的功率较大，曾经被认为可以作为有潜力的战略激光。比如昨天提到的美国搞的747机载激光就是采用化学激励激光，不过最终项目半途而废。另外还有核泵氦氩激光器；用激光激励激光等新手段，瀚海狼山（匈奴狼山）认为这都算是前沿科技了。
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