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 36 42370 36 15232 0 0 1826 0 0:00:23 0:00:08 0:00:15 2851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
年份 | 系统名称 | 目的 | 说明 | 激光器 | 光束指向器 |
1972 | “德尔塔”项目 | 对空防御 | 固定底座样机系统 | 100 kW 级气动连续波CO2 激光器 | 50 cm孔径 |
1974 | 移动测试装置(MTU) | 对空防御 | 改型的海上跟踪舰船(LVT-7改型) | 含外接电源的50 kW连续波CO2电动激光器 | 30 cm孔径 |
1976 | 美国海军联合外场测试项目(UNFTP) | 对空舰船防御 | 固定底座样机系统 | NACL—100 kW 级连续波氟化氘（DF）激光器 | 舰船指示跟踪器(NPT)70 cm孔径 |
1973-1983 | 机载激光实验室（ALL） | 对空防御 | 改型的波音KC-135 | 100 kW 级气动连续波CO2激光器(XLD 级) | 60 cm孔径
|
1978-1997 | SeaLite/SkyLite | 对空舰船防御 | 固定底座样机系统 | MIRACL—兆瓦级连续波氟化氘（DF）激光器 | SLBD180 cm孔径 |
1985-1991 | 星载激光器(SBL) | 导弹防御 | 未完成
| “阿尔法”激光器—MW级连续波HF 激光器 | 大型高级反射镜项目(LAMP) 未生产 |
1996-2001 | 战术高能激光器 (THEL) | 对空火炮防御 | 可运输固定底座样机系统（美国/以色列） | 100 kW 级别DF 激光器 | 50 cm孔径 |
2002-2010? | 先进战术激光器(ATL) | 对空/海面防御 | 改型的C-130 或MV-22上安装:系统正在ACTD跟踪验证阶段 | 100 kW 级COIL | 50 cm孔径 |
2002-?? | 移动战术高能激光器(MTHEL) | 对空防御 | 高级THEL的移动型号—系统概念研发 | 100 kW激光器,可能是固态激光器 | 概念研发中
|
1994-2011 | 机载激光器(ABL) | 导弹防御 | 改装的波音747上安装的兆瓦级激光武器系统 | 兆瓦级连续波 COIL | ABL光束控制系统150 cm孔径直径 |
关于美国HEL武器开发的一个最有趣的特点是每个军种和机构都在执行自己的计划，竞争非常激烈。其中，美国海军在高能激光武器方面的举世瞩目的重大成果要属海军AN/SEQ-3(XN-1)“激光武器系统”(LaWS)了。LaWS系统的测试始于2009年。2012年，该系统在“阿利•伯克”级导弹驱逐舰“杜威”号（DDG105）上完成了海上测试，测试时成功击落了3架代表威胁的无人机目标。在“杜威”号上的成功测试使美国海军对项目充满信心，海军决定加快推进LaWS系统的部署计划。海军将LaWS系统命名为AN/SEQ-3（XN-1），海军作战部长乔纳森•格林纳特则于2013年4月宣布将其作为“固体激光器-快速反应能力”（SSL-QLC）部署到实战环境，并检验其应对武装快艇和无人机的自防效果。“庞塞”号以巴林为母港，隶属于美海军第五舰队。2014年8月，LaWS安装到“庞塞”号舰船上。SSL-QRC评估预计将持续12个月。部署在“庞塞”号上的SSL-QRC标志着美国海军在水面舰船上部署硬杀伤性高能激光武器这一长远目标迈出了关键的第一步。具体来说，美海军希望用这种单次发射成本很低的武器来应对廉价的“非对称”目标，如无人机和快艇。海军研究办公室的目标在今年验证输出功率为100-150千瓦的先进激光武器模型，以确定如何用最有效的方式将高能激光器应用到DDG-51驱逐舰和近海战斗舰等水面舰船上，并解决系统应用的各种技术难题，将技术成熟度提高到可以采办的水平。
3.3 欧洲导弹集团（MBDA）的高能激光武器项目
欧洲联合防空—高能激光武器项目（AD-HELW）是由法国、德国、波兰和葡萄牙专家提出的一种完善的高能防空激光武器系统。该研究的主承包商为欧洲导弹集团德国分公司。该研究分为三个阶段，每一个阶段所持续的时间大约为一年。在第一阶段进行了实验研究，获得了大气对激光束传播影响、可达到的目标跟踪精度以及激光束对包含爆炸负载在内的RAM目标影响的数据。在第二阶段，通过系统仿真获得了所提议的C-RAM激光武器效率的数据。特别考虑了在城市环境中拦截RAM攻击。在第三阶段进行AD-HELW系统的概念设计。基于第二阶段获得的结果，考虑所有的子系统以及相关的各个方面。
图1 AD-HELW系统示意图
AD-HELW系统由三个单元组成：具有操控平台的运载卡车、配置光束导向器的激光单元，以及电源及冷却系统。AD-HELW系统也可以由飞机（如空客-A400M）投送。为了保护一个区域不受RAM型武器攻击，一般需要同时使用两台系统，其可以联合起来对抗同一目标。
AD-HELW系统可以快速研制，激光源采用几何合成多个10kW单模激光器。这种可能性可作为系统的短期实现方案。欧洲已经具备实现这一系统的知识储备、组器件和能力。MBDA德国公司的仿真及试验结果表明高能激光合束现在是可行的，因此不久的将来，将会实现这个激光武器系统。
图2 欧洲导弹集团(MBDA)正在研制的40kw地面防空激光武器系统
3.4 德国的“天空卫士”
德国莱茵金属防务公司研制了一种被称为“天空卫士”的先进激光武器，功率达到50kW，采用一系列巨大的金属容器，正面只有三个光学设备的开口，其中2个并排安放，酷似人的双眼。
图3莱茵金属公司的“天空卫士”激光武器系统
50 kW高能激光武器由两个功能模块组成：集成在Oerlikon 左轮枪防空炮塔，用于静态和动态测试的30 kW武器站及Oerlikon “天空卫士”火控系统，以及集成在左轮枪炮塔中，用于修补静态试验的第一代20 kW武器站。此外还有供电模块。
2013年初，在莱茵金属防务公司位于瑞士的澳克森布登试验场的测试中，它成功切割1 km外的15 mm厚钢梁，击落了2英里外的几架俯冲靶机，验证了高能激光武器的高稳定性。测试表明，莱茵金属公司的高能激光武器技术即使在最恶劣的天气条件下，如冰雪天和雨天，耀眼的阳光下均有效。此外，这一系统还能利用雷达探测飞机，在3公里外就能发现飞机的踪迹。“天空卫士”的三大亮点是探测、追踪和打击很小的弹道目标。
莱茵金属防务公司表示这种激光武器将最终用于战场，成为一种常见武器。2016年3月，莱茵金属公司受德国联邦国防军委托，在公海上的一艘军舰的舰炮上成功测试了一种军用高能激光武器。
3.5 以色列“铁束”（Ironbeam）系统
“铁束”（Ironbeam）系统是以色列拉斐尔公司（Rafael Advanced Defense Systems）研发的一种空防系统，2014年2月，该系统新加坡航展上首次亮相，2016年底正式服役。该系统采用“高能量定向激光束”摧毁近距离火箭弹、火炮以及7 km外的迫击炮弹，比“铁穹”系统防御效果更佳。此外该系统还能够拦截无人机。该系统将成为以色列空防系统的第五要素（除“箭-2”、“箭-3”、“大卫投石索”和“铁穹”之外）。
图4“铁束Iron Beam”激光武器系统
“铁束”系统采用光纤激光器，能够在4s~5s钟之内摧毁机载目标。2014年2月，该系统在超过100次测试中，成功瞄准迫击炮和火炮并且摧毁了小型无人机。未来该系统功率将提升至几百千瓦。目前主要资助方是以色列国防部，该公司也在积极提高系统工作距离，寻求更多合作公司来进行进一步的样机开发工作。一旦获得资助，该系统将在2-3年内服役。
4.高能激光器的应用
装甲部队长期以来都采用传统的武器来进行防御和攻击。这些武器的研发非常耗费，目前已遍布战场。随着ISR系统性能的提升，这些武器已经非常有效。但是，与传统武器相比，激光武器技术发展更快并且已经趋于成熟。它们将是未来战场的“游戏改变者”或者“武力倍增器”。激光武器技术能够应用于海洋、陆地、空中和太空等多种领域。图5给出了激光武器系统在多平台的应用。
图5 激光武器系统在多种军事平台的应用
4.1 海上应用
海军在航行过程中遇见了许多挑战性的威胁。除了传统的威胁（比如鱼雷、浮雷、火箭、炮弹、迫击炮、反巡航导弹和反弹道导弹、小船等），无人机对于海军来说同样是可怕的。
除了舰载激光武器系统，海军同样能够配置激光武器系统到战术战斗机，直升机或者旋翼飞机。它们能够提供和在机载应用中提到的相同的机会。另外，这些飞机能够使用激光系统去探测和定位浮动的和水下的水雷，其对军用和商用船只产生威胁。通过探测和定位水雷，它们能够通过机枪毁坏。
4.2 陆地应用
现代战争的一个最重要的伤亡因数是非定向火力（包括炮弹、迫击炮和火箭）以及制导或者非制导定向火力武器（比如反坦克武器或者便携式防空系统）。当激光武器系统安装在一个战术车辆上时，能够针对这些武器进行防护，能够提高作战的节奏，而且人员伤亡将会减少到可以接受的水平，减少战争总的时间和成本。同时，静止的或者移动的激光武器系统还能够有效地对抗空中威胁。采用激光武器时，地面部队不需要等待空中部队对敌人具有空中优越性。此外，采用激光探测系统还能够压制改进型爆炸装置（IEDs）、地雷和未爆炸的军火（UXO），对关键基础设施能够进行有效防护，避免造成意外的损失。
4.3 机载应用
激光武器系统将在防御和进攻方面改变空中战争的结构。首先，安装有激光武器系统的飞机将会保护自己免受来袭导弹或者射程范围内飞行器的攻击。其次，激光武器系统的一个最主要作用是进行弹道导弹防御，在弹道导弹处于推进阶段时将其击败。装备有激光武器系统的有人和无人空中平台也能够支持空对地作战。它们能够完成精确的地面攻击，使城市环境和非常接近友军部队时的间接伤害最小化。它们的精确度、距离和适应性大幅提升，因此许多目标能够从空中有效地压制。此外，安装有机载激光武器的飞机能够破坏敌军ISR和通信能力，强夺空间控制权。
4.4 天基应用
太空成为未来战场的另一个领域。太空中充满了商用的、通信和监视卫星，许多平台依赖这些卫星有效地工作。保护或者削弱这些卫星比任何时候都变得更加重要。激光武器系统能够安装在卫星上并且能够用于针对敌军卫星以及其他关键的空中战略目标，比如弹道导弹、飞机、发电站等等进行防御和进攻。
部署在太空后就具有了地球表面大部分地区的瞄准线访问权限，包括一个敌方国家内的潜在拒止区域。天基激光武器系统能够独立作战或者作为联合部队的一部分。当只有天基激光武器系统能够接近目标时，独立作战能力非常重要。这些作战内容包括进攻和防御打击人造卫星、进攻弹道导弹（在推进阶段）并且在地面打击关键的战略目标，比如命令和控制中心等等。作联合部队的一部分，天基激光武器系统可以执行分层导弹防御、空中防御、SEAD、ISR、支持其它部队的目标以及地面打击作战。
最重要的作用可能是空间控制。通过空间控制保护己方卫星，同时拒止对手对空间的使用。随着卫星ISR能力的提高，它们可能是整个战场信息统治的一个关键因素。因此，采用天基激光武器系统用于防卫和进攻目的可能是从天际监视系统获取信息同时阻止敌军进入的重要渠道。
5 高能激光器的挑战与未来
5.1 高能激光武器的软肋
人们对激光武器能力的期望和通过科学与工程能够实现的能力之间最明显的差距之一在于：杀伤力。在美国和苏联，光速传输的杀伤力是激光武器的一个首要卖点。然而，现实是，杀伤力取决于激光在目标表面上产生的热效应。任何热效应都需要一定的时间来构建，这个时间比光子从输出孔径到目标的传输时间高几个数量级。HEL武器的杀伤力的可靠性尚未得到证明。HEL武器也表现出没有其他哪种武器系统能够轻松完成的独特的能力。军方一定会确认其不会被现有的武器系统完成的未来的优势任务领域。就像被军方采用的所有其他新的武器一样，HEL武器可能将会执行自己的优势任务领域，提高整体军事能力，而不是替换现有的武器系统。
激光武器的另一个致命的弱点就是距离。随着传输距离的增加，距离越远，激光的能量也会越发散。这不仅仅是对于激光武器来说，对于激光的很多应用。
还有一个限制因素就是传输中的损耗。此外，目前实验的这些激光武器都还属于低功率近距离压制性武器，与独立执行反导、拦截、防空这样的激光武器相比还差的很远。低功率武器很容易，但高功率武器很难。高功率的主要限制是能源供应。高功率激光武器需要高功率的电源供应，但其体积大、重量大，只有军舰这样的大空间平台有能力有潜力装载。如果做不到小型化，机载甚至是空间轨道的部署也是很难做到的，更不用说单兵使用的具备杀伤力的激光武器。
5.2 高能激光武器的未来
新世纪以来,随着高功率固体激光器技术的突破和激光输出功率的提高,高能激光武器系统装备进程明显加快,包括美国海军LaWS舰载激光武器系统等的实战环境演示验证,以及各国的海、陆、空等多平台激光武器系统的研发进展,可以预计在不久的将来,实战化武器装备将步入战场，激光武器将成为未来“空天一体化”战争中必不可少的重要武器。
6.结论
战争的历史充满了革命性的发明。随着技术的空前加速，高能激光武器将成为未来战场上新的“游戏改变者”。激光武器系统作为现代战场新的力量，潜在的优势远远大于其缺点。它将成为未来军队阻挡敌军的进攻并且控制地面、海洋、天空和太空区域的战场的一把利器。
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