一架無人機靜靜地飛過美國新墨西哥州的不毛之地，直到它突然失去控制，墜毀在地。
然后，一臺狙擊炮從發射臺升起，并開始瞄準目標。在沙漠地面上，一輛巨型沙色卡車，在發射看不見的紅外光束，摧毀一個接一個的目標。
這種高能激光移動驗證機（HEL MD）是由航空巨頭芝加哥波音公司為美國軍方研發的一臺激光武器原型。在卡車內部，波音電子物理學工程師Stephanie Blount正盯著自己筆記本屏幕上的目標，并利用手掌游戲控制器指導激光發射。“感覺非常像游戲。”她說。
它似乎十分尋常：激光武器是現代電子游戲的主要道具之一，數十年來，各類射線槍在科幻小說中十分常見。但現在，它們不再是幻想。波音公司研發的原型只是美國和歐洲近年來研發的諸多類似武器中的一種，而這在很大程度上多虧相對便宜、便攜和強勁的激光器的發展。這些激光器能通過光學纖維產生光束。
這些光纖武器的輸出功率以千瓦（kW）計數，數量級低于美國戰略防御計劃預計的百萬瓦特。
但當下，這些類似目前波音系統的測試表明，激光有足夠的能力克服恐怖組織的威脅。“這是非常劃算的方案，可以十分便宜地制造小型狙擊炮或火箭。”Blount說。
例如，2014年年底，美國海軍展示了一種名為LaWS的船載激光武器系統，該武器能定位恐怖分子和海盜使用的小船。該實驗武器目前安裝于龐塞號上—海灣地區一艘水陸兩棲火力支援艦。
但開發者表示，要全面部署此類武器仍存在挑戰，從提高武器功率到克服在霧天和多云天氣中使用激光的障礙等。不過，防務和安全專家正開始更嚴肅地對待激光。“在近半個世紀的探索后，美國軍方今天正處于部署相關定向能武器的風口浪尖。”新美國安全中心（CNAS）先進技術專家Paul Scharre在今年4月發布的一份激光武器報告中寫道。
功率困境
一直以來，激光武器都讓研發者迷醉，在上世紀八九十年代戰略防御計劃全盛時期尤為如此。CNAS 報告顯示，1989年，美國對激光武器的投入達到頂峰，當時政府投資金額相當于2014年的24億美元。但從那時到現在，經費水平一直較低。之前的預期目標—擊落飛來的彈道導彈，已證實難以達到。
激光武器的秘訣在于將能量集中在一個足夠小的點，以便加熱和毀滅目標，而要做到這些，需要一臺能用于戰場的緊湊、便攜設備。說遠比做容易。例如，1996年，美國空軍啟動機載激光武器項目，作為防御彈道導彈的計劃之一。由于當時無法達到百萬瓦特當量的輸出功率，研發者選擇使用化學氧碘激光（COIL），它能由一種化學反應添加燃料。
但COIL過于龐大，因此只能由波音747運載，并且為激光燃料留下的空間很小。“它需要遠程混合裝置以及數萬磅的化學物質。”洛克希德·馬丁公司定向能系統主管Paul Shattuck說。該公司為上述項目提供了光束控制技術。
華盛頓海軍研究實驗室定向能物理學家Phillip Sprangle表示，另一個重要問題是空氣。他指出，不僅塵埃和自然湍流會使光束分散，激光走過的通路還會引發“熱暈效應”。Sprangle解釋道，當光束以極高的能量傳播時，“空氣會吸收激光，加熱空氣，并導致光束擴散”。反過來，這種擴散會削弱激光的能量。
至少，對于機載激光項目而言還有個好消息：類似天文學家用來觀察恒星的自適應光學技術或許是解決方案。該技術利用鏡面自動扭曲激光束，以便削弱湍流的影響，結果類似矯正眼睛畸變的眼鏡。“隨著光束穿越空氣，它被清理一新，最終能完美且密集地擊中目標。”
到2010年，適應光學技術已經能良好地用于機載激光設備，幫助其摧毀飛行中的彈道導彈。但在那時，尺寸問題等后勤方面的困境還是讓國防部失去了研發能量武器的熱情。2012年年初，該部門徹底取消了機載激光武器項目。同時，國防部在高能激光方面的投入也被削減，從2007年的9.61億美元到2014年的3.44億美元。
聚光燈下的光纖
經費并未消失不見：人們的注意力已經轉向更經濟的光纖激光器。光纖激光器出現于1963年，自上世紀90年代以來，其已經發展為盈余超過預期。盡管其他固體激光器使用剛性桿、晶體平板或磁盤產生光束，但大型光纖激光器要使用能包裹緊湊線圈的薄光學纖維。
這些光纖能從便宜的激光二極管的更明亮版本中收集光能，然后將光能放大，整個電光轉換效率能增加30%。這至少能使其他類型的固體及激光器的能效翻倍，接近COIL等化學激光器。而且，光纖本質上較長和薄，因此其表面積和體積比例較大，并能很快地散發余熱，這將有助于延長激光器使用壽命和減少維護工作。
上世紀90年代，這些工作開始吸引人們的注意，當時光纖激光器開始被用于加強運載互聯網數據的海底電纜的光信號。到本世紀初，研究人員開始致力于研發用于焊接、鉆孔和切割的千瓦特級工業激光器，而這些設備也引發了軍事專家的興趣。
Shattuck回憶道，2010年前后，他和同事聽聞以色列平民被當作從加沙地帶發射的火箭彈的目標，“一位村長表示，"請給我們一些防護"。”Shattuck說。而這激發洛克希德·馬丁公司研發區域防御反彈藥（ADAM）系統，該系統使用了常備的10千瓦特激光器以降低成本。
自2012年開始，該公司透露，ADAM無法定位1.5公里外的船只、遙控飛機和小口徑火箭。盡管不愿透露ADAM的價格，洛克希德·馬丁公司表示，目前已經準備為客戶提供該系統。
Blount沒有過多提及波音公司的HEL MD原型—它也使用了10千瓦特商業光纖激光器。該系統能從車用發動機或獨立發動機中提取能量，她表示：“摧毀許多目標只需要兩杯燃料。”這使其比常規導彈更便宜。“一枚便宜導彈需要10萬美元，并且一次使用。而激光武器系統一次發射的費用少于10美元。”波音公司定向能系統負責人David DeYoung說。
Blount還強調，激光武器的復興與圖像識別和瞄準系統的發展密不可分。“更好地瞄準，能讓光束更有效地打擊目標的薄弱環節。”她說。多虧電腦瞄準，HEL MD能全自動控制。
數字的力量
瞄準和定位技術可能已經整裝待發，但能量仍然成問題。一臺商業激光器10千瓦特的輸出功率處于激光武器能使用的最低端。而且，使用光纖會限制光束的能量和質量，原因之一是光子沖過光纖時會將其迅速加熱，并能引發毀壞。為避免這些，研究人員正計劃結合數臺激光器的輸出功率。
實現這一目標的理想方式可能是“相干合成”，每臺激光器發出的波能匹配在一起，形成緊密的同步形式。麻省理工學院林肯實驗室激光學家Tso Yee Fan表示，該技術被廣泛用于收音機和微波設備中。
但實現可見光和紅外光的相干性非常困難。每臺激光器必須發出幾乎差不多的波長，其振動平面必須精確地排成一排，而且每個波的波峰和波谷必須一致。“對于射頻和微波而言，波長約有數厘米。”Fan說，“但在光學領域，波長僅有約1微米，因此進行這些控制實際非常困難。”
但Sprangle表示，這無傷大體。2006年，他和同事研發出計算機模型，表明數個光纖激光器的非相干合成光束打擊目標的有效性與相干合成一樣。他表示，無論使用哪個方法，“當你準備穿越空氣湍流遠距離發射時，最終打擊目標的光束的功率相同”。2009年，該研究小組通過實驗證實了這一理論。
在Sprangle工作的基礎上，美國海軍研究局開發出30千瓦特的LaWS。該系統非相干聯合了6臺商業光纖激光器，目前安裝于龐塞號，并已在小型船只和遙控飛機方面進行了試驗。
無獨有偶，導彈專業部門德國MBDA也研發出一種類似的方法。2012年10月，該公司成功使用其40千瓦特聯合光纖束系統摧毀了約2000米外的飛行炮彈模型。MBDA的試驗還揭露了科學小說中提及的防御激光武器盔甲的真相。他們發現，鏡面上的任何塵埃都將讓目標更快被摧毀。
盡管能力目前較弱，但Scharre相信，在未來5~10年，光纖激光器武器將在美國軍隊防御領域占據一席之地。“它們可能不會像星球大戰中的那樣宏大，但它們能拯救生命、保衛安全。”他說
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
