使用光線作為武器的想法可以追溯到公元前212年希臘部隊(duì)司令希波克拉底。 他的部隊(duì)據(jù)說是通過用鏡子把陽光聚焦在羅馬艦隊(duì)的風(fēng)帆上?；诩す夂?ldquo;射線槍”的武器系統(tǒng)長(zhǎng)期以來一直是科幻小說的主要組成部分，已經(jīng)吸引了世界各地人們的想象力。 但是，隨著激光器在過去50年中的發(fā)展，激光武器系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

 

激光器的生產(chǎn)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)界來講算是個(gè)新生事物。第一臺(tái)激光器是在二十世紀(jì)六十年代開發(fā)的，代表了國(guó)際軍事戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)激烈變化的開始；二十世紀(jì)七十年代末和八十年代也是努力將激光器發(fā)展成為武器系統(tǒng)的繁忙時(shí)期。各大軍事大國(guó)的軍事和工業(yè)部門都在努力掌握高功率激光技術(shù)、光束控制技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)。

 

1999年，美國(guó)國(guó)防部正式承認(rèn)激光器是未來的武器，并開始研發(fā)（R＆D）。2000年，聯(lián)合高能激光技術(shù)辦公室成立，旨在將所有的激光技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)出可供戰(zhàn)士使用的完整的激光武器系統(tǒng)。

 

一般來說，激光武器是功率超過50千瓦到兆瓦，可用于對(duì)付敵人的任何激光，這比商用激光器的功率大得多。 因此，激光武器需要更多的支持需求，包括：

 

• 環(huán)境和人員安全

  Environmental and personnel safety

• 鏡面涂層

  Mirror coatings

• 低溫要求

  Chilling requirements

• 電源要求

  Power requirements

• 激光燃料儲(chǔ)存

  Laser fuel storage

• 校準(zhǔn)和跟蹤要求

       Alignment and tracking requirements

 

化學(xué)激光器

1960年，第一臺(tái)激光器（紅寶石激光器）建成，但功率很小，此后是更多的激光技術(shù)開始發(fā)展起來。1965年，伴隨著美國(guó)國(guó)防部開始研究和開發(fā)更強(qiáng)大的武器應(yīng)用激光器，第一臺(tái)化學(xué)激光器，氟化氫（HF）建成，功率1千瓦。隨后，1968年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的基線演示激光器產(chǎn)生了100千瓦的功率；1975年，海軍 - ARPA化學(xué)激光器（NACL）產(chǎn)生了250千瓦的功率。

第一臺(tái)紅寶石激光器由研究物理學(xué)家Theodore H. Maiman于1960年研發(fā)

固體激光器

固體激光器就是用固體激光材料作為工作物質(zhì)，一般采用光學(xué)透明的晶體或者玻璃作為基質(zhì)材料，摻以激活離子或者其他激活物質(zhì)等構(gòu)成，主要有紅寶石激光器、釹玻璃激光器和Na... YAG激光器。其中，玻璃激光工作物質(zhì)容易制成均勻的大尺寸材料，用于高能量或高峰值功率激光器，但熒光譜線較寬，熱效能較差，不適合在高平均功率下工作。而晶體激光物質(zhì)具有良好的熱性能和機(jī)械性能，且有窄的熒光譜線，但不易獲得大尺寸材料的晶體。固體激光使用晶體或是玻璃作為激光介質(zhì)，依靠電能驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，用途廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)，適合緊湊型武器系統(tǒng)。盡管固體激光器不能像化學(xué)激光器那樣可以達(dá)到兆瓦級(jí)的功率，但它們還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是比化學(xué)激光器更容易穿透大氣。

 

不同基質(zhì)材料的固體激光器的特點(diǎn)

化學(xué)激光器

化學(xué)激光武器是激光武器中最成熟的類型，它利用工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量激勵(lì)工作物質(zhì)產(chǎn)生激光，例如以氟化氮作為氧化劑使得乙烯燃料在燃燒室內(nèi)發(fā)生燃燒，在燃燒室的下游，氖氦混合氣體被注入燃燒后的尾氣中，產(chǎn)生自由的DF分子，這些分子在激光器的諧振腔內(nèi)受激發(fā)后，產(chǎn)生激光。目前常見的化學(xué)激光武器有氧-碘激光武器、氟化氫激光武器、氟化氖激光武器等。目前氧碘化學(xué)激光武器裝置技術(shù)的研究重點(diǎn)是提高效率和輕型設(shè)計(jì)，以便減輕系統(tǒng)重量和改進(jìn)作戰(zhàn)適用性。研究盡可能利用塑料代替金屬，同時(shí)研究燃料的再循環(huán)工作問題。

 

20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的中紅外高級(jí)化學(xué)激光器（MIRACL）是美國(guó)研發(fā)化學(xué)激光器的重點(diǎn)項(xiàng)目。 MIRACL產(chǎn)生的是連續(xù)波，中紅外（3.8-μ）激光，其操作類似于燃料（乙烯，C2H4）用氧化劑（三氟化氮，NF3）燃燒的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。光束可以被引導(dǎo)到許多不同的測(cè)試區(qū)域或SEA LITE光束導(dǎo)向器進(jìn)行測(cè)試。

 

20世紀(jì)80年代中期，在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)的陸軍高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施（HELSTF）中，MIRACL項(xiàng)目的激光和光束導(dǎo)向器被整合在一起。 整合之后，在以下領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的測(cè)試：

 

高功率光學(xué)組件和波束調(diào)節(jié)

• 光束控制技術(shù)

• 高功率傳播

• 目標(biāo)受到傷害和脆弱性

• 瞄準(zhǔn)殺傷力

 

MIRACL支持的測(cè)試包括：

   •   飛行無人機(jī)（BQM-34）

   •   帶有飛行無人機(jī)的常規(guī)防衛(wèi)計(jì)劃

   •   使用防暴導(dǎo)彈進(jìn)行高速目標(biāo)測(cè)試

   •   飛行無人機(jī)進(jìn)行高空目標(biāo)測(cè)試

   •   使用1.5米孔徑的導(dǎo)彈和羽流測(cè)試

   •   放射性校準(zhǔn)的圖像和光譜輻射測(cè)量

 

這些成功的測(cè)試使得許多人認(rèn)為MIRACL是海軍激光武器系統(tǒng)（LWS）之前海軍開發(fā)的第一個(gè)也是唯一一個(gè)成功的激光武器系統(tǒng)。

 

氣體激光器

氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源等三個(gè)主要部分組成（圖1）。主要激勵(lì)方式有電激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、光激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。其中電激勵(lì)方式最常用。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。

 

二氧化碳激光器屬于氣體系列。 這些激光器是最早的，真正的高功率激光器，并且一直是用于高能激光（HEL）武器研發(fā)的最重要的激光器之一。 在工業(yè)中，更強(qiáng)大的CO2激光器用于焊接，鉆孔和切割。二氧化碳激光器已被研究用作非致命武器。氣體動(dòng)力激光器（GDL）是一種基于分子振動(dòng)態(tài)松弛速度差異的CO2激光器。 激光介質(zhì)的氣體具有這樣的性質(zhì)：能量較低的振動(dòng)狀態(tài)比較高的振動(dòng)狀態(tài)放松得更快; 從而在特定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)人口反轉(zhuǎn)。

 

 

光纖激光器

FOL采用摻雜光纖作為增益介質(zhì)。與SSL相似，F(xiàn)OL的輸出與摻雜的稀土元素有關(guān)。近年來，隨著激光二極管泵浦技術(shù)和雙包層摻雜光纖制造工藝的進(jìn)步，光纖激光器煥發(fā)出蓬勃生機(jī)。與常規(guī)光纖不同，雙包層光纖多了一個(gè)用來傳輸泵浦光的內(nèi)包層。內(nèi)包層的橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比光纖纖芯大得多。采用雙端泵浦方式，泵浦光進(jìn)入內(nèi)包層中反射并多次穿過纖芯被摻雜的稀土金屬離子吸收。

 

FOL輸出功率的大小在很大程度上取決于泵浦技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前利用更為先進(jìn)的并行側(cè)向泵浦技術(shù)將多個(gè)泵浦二極管激光器輸出的泵浦光同時(shí)耦合進(jìn)入到光纖的內(nèi)包層，再加之分叉形光纖的使用，可方便地對(duì)其進(jìn)行級(jí)聯(lián)，進(jìn)一步增大了激光器的輸出功率。當(dāng)前，單模光纖激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到了10kW以上。

 

IPG CW光纖激光器，其產(chǎn)生適度的光束質(zhì)量，通過熱加熱和燒穿導(dǎo)致材料和部件的損壞。 海軍水面作戰(zhàn)中心Dahlgren分部（NSWCDD）購買了八臺(tái)商用5.5千瓦IPG激光器，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)安裝兩個(gè)多模（七光纖）激光器。 這種類型的激光器由于柔性光纖而易于安裝。

 

 

其他激光器

還有其他類型的激光器不一定適合化學(xué)或固態(tài)類別，這些包括半導(dǎo)體激光器和自由電子激光器。

 

自由電子激光器（FEL）利用自由電子的受激輻射，把電子束的能量轉(zhuǎn)換為激光。具體實(shí)現(xiàn)是電子從原子脫離后，通過線性加速器加速到高能態(tài)，這些高能態(tài)電子被導(dǎo)入到擺動(dòng)器，迫使它們以光子的形式釋放出能量，當(dāng)光子進(jìn)入諧振腔后，光子在諧振腔兩端的反射鏡之間來回運(yùn)動(dòng)，并激發(fā)出更多相同頻率的光子，最后形成一簇連續(xù)的光束發(fā)射出去。

 

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（ONR）從1996年開始自由電子激光器的研制，2004年激光器功率已經(jīng)到了10kW，2007年達(dá)到25 kW，并于2010年完成了100kW級(jí)自由電子激光器的初步設(shè)計(jì)方案。兆瓦級(jí)自由電子激光武器能裝備于新一代的全電戰(zhàn)艦上，為美國(guó)海軍提供全面的打擊和防御能力。自由電子激光武器的艦載應(yīng)用要求緊湊型的矩形激光器模塊。整個(gè)系統(tǒng)將被安置在船體中部，以減小光束傳輸系統(tǒng)模塊的彎曲效應(yīng)，并采用超導(dǎo)射頻加速器驅(qū)動(dòng)自由電子激光器，兩臺(tái)安裝在船身中部的光束定向器提供封鎖艦船所需的360°覆蓋。