摘要：俄乌战场传来“激光武器击落无人机”的消息，科幻般的武器似乎已降临现实。然而，这束“死光”真的成熟到足以改变战争规则了吗？要厘清这个问题，得先从激光武器杀伤原理及其优缺点谈起。
俄乌战场传来“激光武器击落无人机”的消息，科幻般的武器似乎已降临现实。然而，这束“死光”真的成熟到足以改变战争规则了吗？要厘清这个问题，得先从激光武器杀伤原理及其优缺点谈起。
所谓激光，是原子受激辐射后发出的光。简单地说，在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同能级上。电子吸收能量后，会从低能级跃迁到高能级，形成激发态。这个激发态是不稳定的，有着向较低能级回落的强烈趋势。在实际回落过程中，多余的能量会以一定频率的光子形式对外释放，形成光子束，这就是所谓的激光。
参加93阅兵的国产舰载激光武器
激光形成的原理并不复杂，但实现起来却并不容易。以结构最简单、出现最早的红宝石激光器为例，其由泵浦源、增益介质和谐振腔三部分组成。其中，泵浦源是给激光器提供初始能量的外界物质。对红宝石激光器而言，泵浦源由氙闪光灯及反射罩组成。增益介质是产生激光的主体，红宝石激光器的增益介质是红宝石棒中所含的少量三氧化二铬，而红宝石棒的主要成分三氧化二铝只是容纳铬离子的基质，对产生激光只起间接作用。至于谐振腔，红宝石激光器的谐振腔两端各有一块反射镜，由此构建出相对封闭的空间，用于形成激光。
红宝石激光器工作时，首先给泵浦源通电。氙闪光灯发出高频强光，直接照射在红宝石棒上，同时，布置在周围的反光罩将散射的高频强光反射并聚焦到红宝石棒。红宝石晶体在吸收径向（即从四周指向轴心方向）聚集的强光辐射后，内部电子向能量低的方向辐射。由于红宝石径向受到强光照射，只有轴向是低能区域，于是红宝石晶体便向轴向发出辐射波。辐射波在谐振腔前后两块反光镜之间来回反射，每次反射穿过红宝石晶体时，都会激发与辐射等量的光子，从而实现了受激辐射放大（增益）。而谐振腔后端的反光镜反射率为100％，而前端反光镜反射率低于100％，因此当光束能量超过临界状态后，只能从前端反光镜中透射出谐振腔，从而形成激光。由于光学谐振腔对光增益存在损耗，只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗时，才会对外输出激光，因此红宝石激光器的光电转换率极低，仅有0.1％左右。
从1960年首台红宝石激光器问世至今，人类已发现上千种可产生激光的物质，激光器也发展出繁多的品类。其中，按工作物质种类区分，有固体、液体、气体和半导体激光器；按激励方式分，有光激励、电激励、热激励、化学激励和核激励激光器；按运转方式分，有连续波、单脉冲、重复脉冲和波长可调激光器等。这些激光器的工作机理与红宝石激光器并无二致，性能上各有千秋，适用于不同领域。
如今，激光器在工业、医疗等民用领域得到广泛应用。在军用领域，激光器同样应用广泛，不过目前主要集中于测距、照射引导等领域，而能直接摧毁敌方武器装备的激光器（激光武器），由于技术等多方面因素限制，尚未实现大规模装备。
高能激光束作为武器时，其毁伤机理主要体现在：激光束将其蕴含的能量传递给目标，并在目标表面聚积，导致局部温度骤增，引发目标材料熔化甚至升华，从而在目标表面“烧”出一个洞，严重降低其局部结构强度。如果目标处于高速运动状态，其局部结构强度的大幅度降低意味着它很容易在气动作用下解体坠毁。除上述直接的物理破坏，当目标表面吸收了激光束能量后，原子发生电离，产生的等离子体高速向外喷射，由此形成的反作用力会令目标表面材料变形断裂。此外，激光束辐射的X射线或紫外线还能破坏目标内部的电子元器件。
网传美国测试舰载激光武器照片
这意味着，激光武器的威力与照射到目标上的激光束功率密度成正比。其功率密度越大，激光束在目标表面积聚起足以毁伤目标的能量所需时间就越短。不过，激光束在大气传播过程中，大气中的水分及固体颗粒物均能吸收激光束能量。激光的波长越短，能量被吸收得就越严重。此外，大气扰动会令激光束着靶光斑扩散或产生漂移，从而造成激光束着靶功率密度下降。
在这方面，天基、空基激光武器因使用环境空气稀薄，而受大气干扰较小；陆基激光武器受大气影响次之；海基激光武器因为海面水汽、盐雾甚重，受大气影响最为显著。当然，如激光武器只作为各平台的近防系统，由于作用距离较短，环境影响在某种程度上可以忽略。但若对其提出远距离摧毁目标的要求，则必须加大激光武器发射功率，以抵消环境因素带来的负面影响。
不过，加大激光武器发射功率必然要付出体积、重量和造价等方面的相应代价。
以美国空军于1976年启动的ABL机载激光武器项目为例，它采用兆瓦级连续氧碘化学激光器，由6个模块组成，每个模块重达3吨，发射镜头直径更是高达1.5米，加上与之配套的仪器、设备及操控系统，只有波音747-400F这样的大型飞机能承担其搭载任务。其激光发射功率达2至3兆瓦，所携带的化学燃料理论上可支持20次左右照射。
试验表明，旨在拦截敌方洲际弹道导弹的ABL机载激光武器，在高空160千米距离上发出的高能激光束，需要在目标表面聚焦3至5秒，才能烧穿洲际弹道导弹壳体。若对付处于上升段的目标，这一“漫长”的毁伤过程尚可接受。但如此一来，载机就必须逼近敌方洲际弹道导弹发射基地才行-这在平时或战时几乎都办不到。美军经过评估后认为，如果要达到在400千米距离上，毁伤处于再入段的敌洲际弹道导弹的设计目标，ABL机载激光武器的输出功率还要再提升20至30倍才行。显然，就算造得出这么大功率的激光武器，也没哪款飞机能承载得起（注：一般情况下，激光武器的功率与体积、重量成正比）。
经多年实践摸索，目前各国普遍认为，化学激励激光、半导体光纤激光和板条激光是有望让激光武器走向实用化的三条技术路径。
美军在波音747上测试ABL机载激光武器
其中，化学激励激光发展历程最为悠久。尽管它存在使用成本高、化学反应污染严重、系统构成复杂、燃料再加注较慢、总体可靠性较差等缺陷，但目前各种类型的激光器中，既发展得较为成熟，又能相对轻松实现兆瓦级激光输出的，还得是化学激励激光器。故各国尚未下定决心彻底放弃这条技术路径。
半导体激光器具有尺寸小、激光耦合效率高、响应速度快等优势。单个半导体激光器虽然功率严重受限，却可以用光纤合成阵列技术，将成千上万个半导体激光器发出的激光合成一个大功率的激光束。半导体光纤激光武器直接以电源为输入能源，光电转化效率可超过30％，功率可调范围大，环境适应性好，就算系统内的部分半导体激光器发生故障，也不至于严重影响大功率激光束合成。
半导体光纤激光武器的激光束合成有不同的技术途径。其中，结构最简单、技术难度最低的是非相干合束-将若干半导体激光器发出的原始光束，用不同的反射镜送入一个镜头中，对准目标实施混合投射。简单地说，就是不理会各原始光束在频率、相位方面的微小差异，直接将它们“混杂在一起”射出去。美军试验表明，非相干合束产生的激光，很难对5千米外目标实现超过100千瓦的连续功率输出。要想让合成激光束具备更高的照射功率，以及更远的作用距离，最好采用相干合束技术。
相干合束能对不同激光器产生的光束进行精密的相位匹配，从而使不同光束之间形成相长干涉，实现高功率和高光强。不过，该技术需要让不同激光器的光束相位、偏振态和频率高度一致，实现起来技术难度非常大。
为降低技术难度，人们又发展出频谱组束技术。其基本原理是利用光栅、变换透镜等元器件，将各组束阵元的激光束进行“过滤”，将滤出的波长相近激光束进行近场或远场叠加。这种技术无需复杂的相位、偏振态和振幅控制，即可实现较好的合束效果。2017年，洛-马公司公开宣称，该公司用频谱组束技术产生了功率达30千瓦的激光束，合束效率超过95％。
舰载激光武器发射假想图
传统固体激光器的激励物基本上都呈圆棒形，其温度梯度方向与激光传输方向垂直。因而，当激光器在热负荷条件下运转时，不可避免会产生热透镜效应和热光畸变效应，使得生成的激光束质量降低，并限制了激光功率的进一步提升。为解决这一问题，人们发明了板条激光器。它是固体激光器的一个分支，其核心改进在于采用板条形的激光晶体作为增益介质，使得温度梯度沿板条厚度方向分布，而辐射波却在板条宽度方向发生全反射。因为辐射波传播方向与激励物温度梯度方向近似平行，基本可以避免热透镜效应和热光畸变效应，从而大幅提高激光输出功率。
目前，单根板条激光器的连续输出功率已达千瓦级，脉冲输出能量达到百焦耳级。但这类激光器存在两个亟待解决的问题：一是激光发散角较大，导致成百上千束板条激光合成大功率激光束时，调制技术难度很大；二是要想让大功率板条激光器的功重比满足常规作战平台搭载要求，需以超级电容来作为能量来源-这种电容不仅蓄能量较现有电容大幅提高，自身重量也显著降低。因此，板条激光器要想作为激光武器使用，还有赖相关技术的进一步突破。
本质上，激光武器所发出的高能激光束只是一种物理攻击手段，其作战效能的发挥一样要依赖火控系统。战时，激光武器火控系统中的雷达可能会遭到敌方干扰，光电系统也存在被敌方压制的可能。一旦发生这种情况，激光器很可能会成为摆设。
此外，激光武器对火控系统测控精度的要求，要远高于其他精确制导武器。这是因为其他精确制导武器在发射后，可通过自身制导系统不断修正瞄准误差。而激光束本身没有轨迹修正能力，一旦初始照射偏离了目标，就只能通过调整激光武器的发射镜头来补救，不仅容易贻误战机，还会造成激光束能量的浪费。
影响因素还有很多。比如之前所述的大气密度对光折射率的影响，不同高度、温度、盐度下的大气密度并不一致。当接战距离较远时，激光武器的火控系统也不可能将所有不可测因素悉数考虑在内。若激光武器的承载平台是涌浪中起伏的舰船，或是在湍流中颠簸的飞机，且目标具有高机动性，那么即便配备了最精密复杂的火控系统与稳定系统，也不敢保证能让激光武器首“发”命中。以ABL机载激光武器为例，要在400千米距离上，将直径约0.4米的激光光斑精准照到直径2米左右的洲际弹道导弹弹体上，火控系统的跟踪误差要低于十万分之一弧才行。作为对比，激光号称“最准的尺”，其自身的发散度仅为千分之一弧左右，足见其对火控系统精度要求之严苛。
美军驱逐舰上搭载测试的激光武器
综上所述，激光武器要在远距离上首“发”命中，难度远超人们想象。当然，如果降低对激光武器作用距离的要求，其配套火控系统和稳定系统的技术难度也将大幅降低，实际应用的可行性也会相应提升。
可即便降低作用距离要求，激光武器的杀伤机理仍决定了，它必须让所发出的高能激光束保持对目标的持续照射才能达到毁伤目的。前些年，美国曾在网上公开了一段激光武器试验视频。视频中，一台60千瓦级的激光武器持续照射一架未作任何机动动作的无人机长达5秒左右，才令其起火损毁。如果目标结构强度高于无人机，所需照射时间还要延长；如果目标配有激光告警器，在察觉照射后立即实施大过载机动，那激光武器很难维持持续照射。上述两种情况都会导致激光武器打击单个目标的时间大幅增加，进而影响其多目标拦截能力，这对近防系统来说是个不容忽视的缺陷。
也许有人认为，大幅增加激光武器发射功率可解决上述问题。但这一思路面临双重制约：一方面，功率提升受平台承载能力限制。另一方面，就目前大多数类型的激光武器来说，其光路中存在大量反光镜、聚光镜，加大功率意味着其产生的热透镜效应和热光畸变效应亦会增强。若不给予足够的时间对这些镜片实施强制冷却，则持续输出的激光束质量将大幅降低，甚至失去军事应用价值。更何况，“有矛就有盾”。面对激光武器威胁，未来导弹可采用多种技术手段进行对抗：加固结构，换用更耐高温的结构材料，弹体表面涂覆吸热涂料或敷设镜面反射涂层，以及通过弹体滚转分散激光能量等。此外，在战术规划时，如果能充分利用不良天候削弱高能激光束传输效能，并结合各种隐真示假的突防手段，激光武器的实战表现恐怕会远低于研发厂商宣传的水平。
回到本文开头所举的俄罗斯、乌克兰将激光武器投入实战的例子，深入分析便不难发现，上述两国只是将体积和重量较大的激光武器投入到不要求机动性、对武器重量没有限制、能量获取方便的要地防空作战中，打击对象也是未经加固的民用级无人机。因此，这些战例充其量只能算实战测试，不具备普遍参考价值。激光武器若想实现大规模装备，仍需在技术上取得实质性突破。
来源：军师军茶利
