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激光武器工作原理.docx
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激光武器工作原理
激光武器工作原理
如果您对激光武器的想象还停留在科幻电影《星球大战》或者《星际迷航》,那就OUT了!
在科幻世界里,未来战士用先进的激光武器殊死捍卫宇宙,他们通过激光束对目标展开定向攻击,瞬间将敌人击杀于无形。
但是您知道吗?
这种萦绕在科幻迷和军事迷心中的梦想,同时也吸引了世界各国的军方研究机构,他们试图开发出基于高能激光技术、微波技术在内的未来作战系统。
未来通过激光束击落飞过海面的飞机、拦截迎面而来的弹道导弹,将不再是“纸上谈兵”。
在您的童年,是否曾经对玩具“激光武器”产生狂热。
其实,“激光武器”不仅是儿童的幻想,也是众多军事科学家热衷钻研的新领域。
如果说传统射弹武器是怒形于色的凶神恶煞,那么现代激光武器就是深不可测的隐形杀手。
激光武器和其它定向攻击武器,以及子弹、导弹等传统射弹武器相比,具有以下优势:
*激光武器的光能输出可以达到光速的水平,真正做到快如闪电。
*激光武器可以精准的定向攻击。
*激光武器的能量释放具有可控性——高能光束可以用于致命打击和高速切割,而低能光束可造成非致命性伤害。
美国空军已经研制出三套经过测试的激光武器系统,某些已投入军事实战。
这些系统包括机载激光(先进战术激光)、人员阻止与刺激反应系统和主动拒止系统。
本文,将让您领略现代激光武器的魅力。
激光为何可以用作武器,这个问题想必让很多人一头雾水。
很多时候当我们被某种东西的惊人能力和眩目外表所吸引时,往往容易忽视最基本的“为什么”。
本质上,激光和普通光线一样,也是一种光源。
要理解激光如何在人类的手中变成攻击性的利剑,首先要弄清楚它与日常生活中的光源有何区别。
让我们首先从再熟悉不过的白炽灯说起吧!
它发出的光线是一种向四面八方散射的光线,就像水面的波纹,拥有“高峰”和“低谷”,或者说高点和低点。
假设我们的眼睛有能力察觉白炽灯每一条光线,那么您将会看到大量从你边擦身而过的“高峰”和“低谷”。
它们实际上拥有不同的频率、不同的颜色,但是混合在一起呈现出的,就像我们用肉眼看到的太阳所表现的白色。
接下来,让我们再回想一下90年代以前常用的“家用电器”——手电筒吧!
手电筒发出的光线是不是比无罩白炽灯发出的光线更集中呢?
根据您手中手电筒的指向,大部分的光线集中在同一个方向。
不过,这些相对集中的光线仍然拥有不同的频率,它们也是由多种色彩混合而呈现白色。
与白炽灯和手电筒的光线相比,激光的集中度要高得多,它的光线拥有同样的波长、单一的色彩。
激光光波的高峰和低谷呈现的是一种同步化波,这就意味着不同的光波可以并行,且不会相互干扰。
这种光线只向一个方向发射,因此,它可以紧密集合,在运行很远的距离后依然能保持集中。
激光可以产生具有极大能量的光束,这种能量比普通白炽灯光线的能量强1000-1,000,000倍。
不同的激光可以产生具有不同波长的光线,从红外线到可见光再到紫外线。
现在您已经知道,光线实际上是一种运动的能量。
由于激光可以产生十分密集的能量,且可以在远距离传输中极少损耗,所以能将大量的能量投射到远距离的物体上。
这就是激光可以成为杀伤性的武器,而白炽灯光线却不能的原因。
不过,激光要产生出来,它的光线传输需要采用一种非常规性的方法。
激光的英文为LASER,即镭射,其命名是由“受激发射的光放大所产生的辐射”的英文首字母组成,该名已经完全表达了制造激光的主要过程。
换句话说,激光需要通过刺激释放光量子或者光粒子来发射光线。
要完成上述过程,激光需要以下四个基本要素:
激光介质(Lasingmedium):
一种受激后可以释放出特殊波长的原子来源,这种介质可以是气体、液体或者固体。
能源(Energysource):
调动并泵送这些原子,使之在激光介质中处于受激状态。
反射镜面(Mirrors):
一面完整的镜子和一面半镀银镜,它们可以使发射的光线在激光介质的共振腔内反复回弹,并最终逸出。
镜头(Lens):
大部分激光发射装置都装有某种镜头来对光束进行聚焦。
产生激光的过程实际上是储存并释放能量的过程,能源把能量注入激光介质,既而激发电子活动,受激电子会被提升至更高的能量水平。
当电子“放松”下来,恢复到原来的活动水平时,它们会释放出光子。
这些光子在反射镜面间来回反弹,并在其经过的区域不断触发其它电子的活动。
这个过程最终会产生高能量的聚焦光线,激光就产生了。
用于工业切割的激光刀,比任何机械刀更锋利有效接下来,我们将近距离接触应用于军事中的激光器。
激光被人们称为世界上“最快的刀”,不过,这把“刀”要惊艳亮相,首先要有铸刀的能工巧匠,激光器便承担着这样的角色。
目前,世界上的激光器主要有以下几种类型:
固体激光器:
固体激光器的激光介质是一种固态晶体,比如大名鼎鼎的红宝石激光器或者钇铝石榴石激光器,它可以释放1.06微米波长的光波。
气体激光器:
气体激光器由一种气体或者多种气体混合组成激光介质,这类激光器包括氦氖激光器或二氧化碳激光器,它们可以释放出10.6微米波长的光波(红外线)。
准分子激光器:
准分子激光器的激光介质是多种活性气体比如氯气、氟气和多种惰性气体比如氩气和氪气的混合物,氩-氟激光器可以释放193纳米紫外线光波。
染料激光器:
顾名思义,染料激光器的激光介质是由荧光染料组成,比如若丹明。
这种激光器可以调谐出在一定范围内不同波长的光波。
若丹明6G染料激光器释放的波长一般在570-650纳米。
二氧化碳激光器:
这种激光器较为特别,因为它是由军方开发的一种威力巨大的红外线激光器,可以用于切割金属。
自由电子激光器图形演示:
一束电子被发射后通过波动机——一组由南北磁极交替转换的磁体。
波动机内的磁场迫使每束电子来回反弹,迫使它们释放出类似激光的光束。
目前,已经有多种激光器用于军事领域。
其中一种已经研发出来的激光器被称为自由电子激光器。
在上世纪70年代,斯坦福大学的物理学家约翰?
梅蒂(JohnMadey)发明并获得了自由电子激光器专利,该激光器包括一个电子注射器,一个粒子加速器和一个磁性波动器或摆动器,它的工作原理如下:
1.电子注射器将一股脉冲自由电子注入粒子加速器。
2.粒子加速器将这些电子加速,直至接近光速(每秒钟300,000千米)。
3.电子穿越磁性波动器或摆动器,一般由一系列交替改变南北磁极的磁体组成。
4.电子在波动器或摆动器内来回振荡,在这个过程中,具有一定波长的光被释放出来。
5.摆动器内的磁体间距负责控制发射光线的波长。
因此,自由电子激光器可以通过改变磁体空间进行调谐。
6.从理论上讲,自由电子激光器可以将波长在红外区域到电磁波谱X射线区域间调谐。
自由电子激光器可以用来制造高能红外线和同步辐射X射线,用于研究。
该激光器原本是美国国防部的战略防御计划(里根总统的“星球大战”计划)的组成部分。
最近,美国海军研究生院从斯坦福大学获得了梅蒂的自由电子激光器原件,用于军事研究。
1997年,美国空军开发出一种化学氧碘激光器。
它的能源来源于一种化学反应,激光介质是碘分子。
它的工作原理主要包括以下几个部分:
原子、热、副产品,副产品包括水蒸气和氯化钾。
1.氯气与液态过氧化氢和氢氧化钾的混合物发生反应。
2.化学反应产生单一的氧气。
3.碘分子被注入激光器,纯态氧为碘原子提供能量,这些原子可以获得激光并发射出1.3微米波长的红外线。
4.激光器或者不断发射光线,或者以脉冲的形式发射一股光束,以不断增加激光的能量。
化学氧碘激光器是目前美国空军的机载激光器,下一节,我们将揭开这种军事激光器的神秘面纱。
在海湾战争中,萨达姆?
侯赛因武装力量在以色列和美国在中东的军事基地发射了飞毛腿导弹。
美国出于自身国家利益考虑,事先部署了爱国者导弹防御体系。
爱国者导弹可以在导弹下降过程中实施拦截,然而,如果能在危险发生前更早一点——比如导弹点火后加速上升阶段,实施打击是不是更好呢?
这正是美国空军发展机载激光武器的初衷。
目前,这套系统主要由波音公司、格鲁曼公司和洛克希德马丁公司负责开发。
军用飞机所安装的机载激光器是一种化学激光器,它的目标是对来袭的导弹在起飞之初即实施打击。
这种机载激光武器一般被称为机载激光炮,安装在波音747大型喷气式飞机上方,由四个激光器,自适应光学仪器,传感器以及可定位、跟踪和分析打击导弹的计算机组成。
下面,让我们看看这种“闪电大炮”的工作原理吧!
1.红外线传感器充当了“侦察兵”的角色,它负责探测导弹推进过程中的热源,并将信息实时传达给自动追踪激光器。
2.自动追踪激光器跟踪导弹并报告相关的跟踪信息(距离、速度和高度)。
3.跟踪照明激光器扫描目标并计算出高能激光器的最佳射击位置。
4.信标照射激光器发射光线照射目标导弹,测定目标导弹与机载激光武器之间的大气湍流,并将这些信息分发给位于高能激光器瞄准装置内的自适应光学系统。
5.自适应光学系统装有可变形的反射镜,可以补偿大气湍流的影响。
炮塔安装在机头上方,内嵌有机载光学系统组成部分之一——一个1.5米的望远镜。
6.高能激光器向目标导弹发射上兆瓦能量的激光束。
7.高能激光束穿透目标导弹的外壳,根据击中位置的不同,目标导弹发生破坏或者彻底爆炸。
上述“激光眼”和“激光炮”都通过机载电脑进行协调和控制,从而保证它们由“大脑”进行综合分析和统一调度。
美国空军正对机载激光武器的性能进行测试,并声称指挥人员可以在数千公里外对其进行操控。
届时,机载激光武器将可能增强为六组工作部件,特别是在各个激光器的镜头上佩戴“防护眼镜”,从而抵御这些“眼睛”受到大气中水滴微粒反射激光的干扰。
目前,高能激光器主要应用于空中机载武器,不过研究人员已经开始设计和研制用于陆地和海洋作战的新型高能激光器。
这些“激光炮”可以装载在装甲车或者军舰上,以有效抵御来犯的导弹、炮弹和战斗机。
“杀人剑”不如“活人剑”,中国自古以来的兵法都讲究不杀而胜。
事实上,在现代战争中,各国都十分推崇可以避免瞬间致人于死地的非致命性武器。
与传统杀伤性武器相比,它们可以避免战争中血肉横飞的场面,体现人道主义精神,还可以在保护平民安全的情况下对敌对分子实施精准打击,因而“非致命性武器”开始在世界各地大显身手。
现在,非致命性激光武器已经成为非致命性武器领域的“亮剑”。
美国军方已经对这种武器进行测试,不久之后将投入实际应用。
他们称这套系统为主动拒止系统,主动拒止系统并不是一个激光器,但是车载高能无线电频率发射器和定向天线却是以激光实施打击。
车载发射器可以产生一种95千兆赫的毫米波,这将是打击敌人的无形子弹。
(毫米波的波长从1毫米到10毫米不等,相对应的频率也在30兆赫到300兆赫之间。
)主动拒止系统向目标发射无线电毫米波,使敌方人员的皮肤产生临时性灼烧感。
定向天线对毫米波进行聚焦,并允许操作者瞄准并发射激光束。
这些毫米波光束可以穿透皮肤仅1/64英寸,大概相当于三张办公用纸的厚度。
就如微波炉的工作原理一样,这些能量较强的光束可以破坏皮肤组织内的水分子,从而产生强烈的灼烧感。
因为这些光束只是对皮肤表层实施精确攻击,所以它不会对人体造成永久性的伤害。
您可能听说过“迷魂药”,但是听说过“迷魂枪”吗?
这不是科幻小说,美国军方已经开发出一种名为“人员阻止与刺激反应枪”的单兵携带激光武器,它发出的激光可以使敌人眩晕而不会造成终身伤害。
这种武器安装了两个低功率半导体激光器,一个可以发射可见激光,另外一个可以发射红外光。
这种激光枪只有来福枪大小,因此适宜单兵携带。
它可以临时使敌方分散注意力,使对方眩晕而不会致盲。
美国国防部同时也在研发其它视觉干扰武器,以用于战斗中临时性削弱敌人视力。
其实您大可不必如科幻迷一样幻想,是否每个人都可以从市面上购得这种奇异的激光武器。
一家美国公司声称,目前并没有关于销售激光武器的广告禁令。
由于美国允许市民携带枪支,因此层出不穷的枪杀事件也引起了人们的担心。
现在,美国人可以不用在危险装备宣言书上签字,就能购买一支可以防卫但却不会致人死地的激光枪,似乎是一种更为明智的选择。
人员阻止与刺激反应枪与来福枪大小相近,可以由单兵携带,它发射的激光可以让敌人产生眩晕。
无限信息激光射线枪是一种固体激光器,通过一个闪光灯作为能源,并应用一个钕玻璃棒作为激光介质,它的工作原理很像红宝石激光器。
它需要从AA电池组获得12伏直流电源,短时间内通过3焦耳的脉冲释放共500焦尔的能量,从而发射波长为1.06微米的红外光线。
这些光线由准直镜进行聚焦,可以使光线拉直并保持平行。
这种武器由于威力巨大,已被列为第四级危险激光器。
该激光器的制造公司声称,它发射的高能激光可以在大多数物体上灼烧出一个大洞。
所以,您最好别把这种激光枪当作孩子的生日礼物。
总之一句话,别拿激光不当武器!
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