|
| 激光应用武器的原理、特性及效应 |
| 新闻出处：电子生产设备资讯网
发布时间： 2007-11-15 |
有三种高能激光曾被考虑用来作为武器，其分类是依介质产生”分布颠倒”的方法而定。就气体激光言，是藉爆炸而产生气体（如二氧化碳）的，在高温下形成的气体使大部分气体分子都在受激态。再将这些气体通过一排喷嘴（nozzle）而膨胀，并使温度急速下降，这些受激分子来不及回到某态，因此造成”分布颠倒”，随即产生激光。
第二种是”电子放电激光”（electron discharge laser）。把电子束打到气体介质中，气体分子与电子碰撞而吸收部分电子能量，使分子跃升至较高的振动或转动能阶，藉此机构可以连续地达到”分布颠倒”，而发出连绵不断的激光。
第三种是化学激光：两种元素（如氟和氢）或化合物结合而成一种新的化合物（如氟化氢， HF）。刚刚结合的分子是在受激态（因为是放热反应），如果把环境的各种条件控制好，则在它还没放热前就可以先因”分布颠倒”而达到激光的作用。
以上三种方法都能有效地产生”分布颠倒”，但是激光所需”空腔”的大小和它所能处理的功率，在实用上仍是有所限制。目前高能激光的研究发展，就是希望能放宽这些限制。
一个激光武器和其它武器有三点重要的不同：
一、它所携带足以摧毁目标物的是高能量的电磁波束，而非像飞弹或炮弹所携带的具爆炸性的物质。
二、它的能量速度是每秒三亿公尺，而超音速飞弹则是每秒一千到二千公尺。
三、激光束一定要打到目标才能摧毁它，而一个爆炸弹头只要在目标附近爆炸就可以了。因此激光武器要摧毁目标物，必须先能准确地测出目标物之位置，且激光所指向的位置亦必须具有相同的精确度。
知道了它的特性之后，我们可以想到三种它能担任的使命：一、它装在人造卫星上，可以攻击刚起飞尚在推进阶段的洲际飞弹（在起飞后八分钟内），或攻击轨道上敌方的人造卫星。二、装在地面则可以击落飞机或从上空飞过的卫星，装在船上则可打击来袭之飞弹。三、装在飞机上亦可打击敌机或飞弹。
要达成上述使命中的任一种，激光武器系统还得有下列的本领：首先必须侦察到目标，并且分辨出它是否为诱饵或是其它物体。然后激光对准目标，追随其运动，接着发射激光束。每发射一次，系统皆须测定其是否命中，没打中的话则须知道到底偏差多少，应如何修正，经修正方位再发射，若仍未能命中，则系统须有重复这些再瞄准与再发射的能耐。最后它必须把结果呈报给指挥所。
系统要能做到上述的这些要求则除了激光外，还需要几种组件配合。如一面能精密操纵的大镜子，准确地导引光束发射的方向；感觉器（sensor）的辅助仪器则具有侦察目标、识别敌我与精确、稳定地定出目标物位置的能力。感觉器所得到的资料还需经过几个控制组件来带动前述的大瞄准镜。除外，还要一组特别的感觉器，可告诉我们目标损坏的程度，或光束打偏了多少距离。当然，这套系统还要有能产生并储存能量的设计，在适当时机供给激光强大的脉波。
如果激光武器系统是在太空中操作以攻击大气层以外的目标，当然光束是可走一段相当长的距离。因为光在真空中传递毫无妨碍。然而光本身具有波的特性，会因绕射而使光束发散，假设镜子的表面平滑度和形状十全十美，光束发散的角度和激光频率、镜子的直径都成反比关系。所以镜子愈大，光束频率愈高愈好。
激光穿过大气层会衰减和色散，空气中的分子和小水滴等，都会吸收光或是使光束发散。二氧化碳激光放出的红外线光束在干冷的空气中，每走四公里强度就衰减一半；热湿空气中则每一公里就减半了；（注：湿代表空气中小水滴较多，热空气中则分子运动速度快，使光束发散得更厉害。）云、烟、灰尘、雾则几乎能把光束完全吸收。简言之，激光武器放在大气层中，到底能发挥多大功能，要看天气好坏。这种”靠天吃饭”的特性，无疑是它的大致命伤，尤其是作为防御性武器，敌人在天候不好时来犯，也只能束手无策。即使晴空万里，大气中的一些现象还是会使激光偏折、散射甚至被阻挡。例如，乱流（turbulence）使空气密度产生局部变化，光线经过就会偏折或发散。晚上看见星光闪烁，就是因为星光时有偏折，传不到我们眼睛而造成的视觉效果。（译注：物理中提到的司乃耳定律，就是讲光折射的效应。只是介质密度的变化，实际上是连续的，而非由某介质突然变成另一介质，其界面也不一定是直线。这个推广工作需要微积分的观念，一般古典力学或物理光学的书籍会提到”光束光学”，就是讨论这件事情。）
激光束的能量大部分被空气吸收，所以光束经过之处会变热，因而膨胀，造成一个低密度的信道，光波因此远离这段热空气而偏折，这现象俗称”热开花”（thermal blooming），这也就是激光束在气中发散而不能凝聚的主要原因。
激光传送的最后一个困难是激光束穿过大气层可能会产生电浆。因为强光束代表强电场（光即电磁波），当强度达到一千万瓦／平方公分时（确实数字视频率而定），电场已够强足可使电子由原子中游离而产生电浆。电浆会吸收光束，阻碍光束前进，所以激光通过大气层后的强度也有上限，不可能太高。
激光摧毁目标的方式是将热能集中目标物，使其超过所能负荷而被破坏。所以只有目标物表面所吸收的能量才算数。例如光亮的铝片只吸收红外线激光4％的能量，剩下96％都反射掉，不构成威胁。
到底目标物能吸收多少激光能量，则要看辐射频率、目标物表面和所用的材料而定。可见光、红外光最容易被光滑的金属表面反射，所以通常只有10％不到的激光能量会被吸收而造成损坏。紫外线的情形就好多了，约有50％以上会被吸收。
至于利用高热来破坏目标（如飞弹）有好几种方法。单位面积所需要的能量也看是用那一种方法而定。例如没有保护装置的人造卫星电路，只要被1瓦／平方公分强度的光束照射几分钟就会故障，而这强度约是大气层顶端太阳光照射强度的十倍。一块数毫米厚的金属板，吸收1千瓦／平方公分强度的光束，只要一秒钟就会融化（即每平方公分吸收一千焦耳能量）；但要达到如此效果，红外线激光发射的光束要2.104焦耳／平方公分才行，因为大部分能量都被反射了。
因激光在很短的时间内放出高能量，所以瞬间强度可高达106瓦／平方公分（虽然平均功率要小得多）。目标被击中后马上失去光泽，因此吸收能量的比率逐次增加，理论上有可能最后烧穿一个洞。
若目标在大气层中，则约107瓦／平方公分的强度可使目标前的空气游离，在光束照到的部分产生一电浆层，吸收光束的能量而变成白热状态（约6,000℃）。电浆有两种方法释放这能量：一是辐射紫外线，一是爆炸，两者都会增加原来光束能量的30％，减轻激光的负荷。强脉波的激光束会使目标物表面的金属蒸发，而以高速脱离。根据动量不减定律，原目标物也会受到一个大小相等、方向相反的动量，这会使它扭曲甚至破裂，而达到破坏的效果。 |
| 【关闭】 【打印】 |
|
|
|
|
