奇妙的激光

激光的英文原意是“受激輻射的光”，早期直譯為“萊塞”，俗稱“死光”。激光是利用光能、熱能、電能、化學能或核能等外部能量來激勵物質，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光，它具有方向性強，單色性好，亮度高和相干性好等特點。激光和普通光不同，它具有極高的亮度，是所有光源中最亮的一種光，比最好的普通單色光源要高數(shù)萬倍以上，比太陽光表面的亮度高幾百億倍，幾乎和氫彈爆炸時的瞬間閃光差不多。激光在激光器的激勵下，能將光束高度集中，因而具有極強的方向性。激光光束的發(fā)散角很小，僅為最好的探照燈光束的幾百分之一，一般在幾毫弧度之內；激光能產(chǎn)生幾百萬度的高溫和幾百萬個大氣壓，因此在高溫高壓作用下，能穿透和熔化各種堅固的金屬或非金屬材料。

激光是怎么產(chǎn)生的呢？他主要是由一種專門用來產(chǎn)生激光裝置來產(chǎn)生的，這種裝置由三部分組成，即工作物質、激勵源（也稱泵浦源）、諧振腔。工作物質是激光器的核心部分，是用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉和產(chǎn)生受激輻射的物質體系，可以是固體、氣體、液體或半導體。激勵源的作用是向工作物質供應能量。諧振腔通常由兩塊反射鏡組成，一塊為全反射鏡，另一塊為半反射鏡，工作物質置于兩鏡之間。諧振腔的作用一是提供光學反饋能力以形成受激輻射的持續(xù)振蕩，使光束不斷增強；二是限制光束的方向與頻率，使輸出光束具有極好的方向性和單色性。激光器的種類很多，按工作物質的種類分，有固體、液體、氣體和半導體激光器；按激勵方式分，有光激勵、電激勵、熱激勵、化學激勵和核激勵激光器等；按運轉方式分，有連續(xù)波、單脈沖、重復脈沖和波長可調激光器等。

自從20世紀60年代以來，激光在軍事上的應用日趨廣泛，主要用于偵測、導航、制導、通信、模擬、顯示、信息處理和光電對抗等方面，同時，利用激光研制的具有燒蝕、激波和輻射威力的低能和高能激光武器，也逐漸走出實驗室。已投入使用的軍用激光技術裝備很多，如激光測距儀、激光雷達、激光瞄準具、激光制導武器、激光陀螺、激光通信、激光訓練模擬器、激光大屏幕顯示系統(tǒng)、激光掃描相機、激光引信和激光致盲武器。正在研究中的有激光模擬核爆炸裝置和強激光武器等。

美軍在歷次局部戰(zhàn)爭中大量使用的激光制導炸彈就是利用激光方向性強這個特征研制的。利用激光所具備的方向性好這一特性對導彈、航彈、炮彈等進行制導，能夠大大提高武器的命中精度。激光制導方式有兩種，即半主動尋的制導和駕束制導。激光制導武器是在60年代中期開始發(fā)展的，其中激光制導炸彈已于1972年在越南戰(zhàn)場公開使用。自80年代以來，激光制導導彈和激光制導炮彈的生產(chǎn)和裝備數(shù)量也日漸增多。激光制導武器的命中精度較高，激光制導炸彈的圓概率偏差可由無制導狀態(tài)下的80～100米減小至3米以內；激光制導炮彈的圓概率誤差可由無制導狀態(tài)下的13～20米減小至1米以內。#p#分頁標題#e#

激光制導炸彈由尋的頭、操縱艙、彈體和尾翼組成。從結構上來講，只不過比普通炸彈多了一種特殊裝置，即自動導向目標的尋的裝置，其余部分基本和普通炸彈相同。由于加裝了自導裝置，就使它具備了導彈的功能，所以命中精度明顯提高；但由于沒給它裝發(fā)動機，只能靠滑翔等方式自由墜落，所以又不能算作導彈。激光制導炸彈的結構十分簡單，造價又相當?shù)土?，所以很受青睞。海灣戰(zhàn)爭期間，一套激光制導裝置約2800美元，把一顆3000磅的炸彈改裝為激光制導炸彈僅需4800美元，如改成電視制導炸彈則需19800美元。

利用激光相干性好的特性，進行激光全息照相，使偵察照片具有極高的清晰度。利用激光單色性好這一特性，研制了各種類型的激光測距儀，用來精確測距和測高。激光雷達就是一種利用激光對目標探測、定位的裝置。它能跟蹤并測定目標的距離、方位和速度，能對目標進行識別、顯示、姿態(tài)測定和軌道記錄。其工作波長約為微波雷達的萬分之一到千分之一，較微波雷達具有更高的測量精度、分辨能力和抗干擾能力及體積較小等優(yōu)點。由于激光的頻率比一般無線電波高幾個數(shù)量級，頻帶很寬，用激光作載波可大大提高通信容量。從60年代初開始，進行了大氣激光通信的研究；60年代中期，研究工作擴大到空間激光通信；80年代以后，美國發(fā)現(xiàn)藍色和綠色的激光束能量具有穿透海水而不會為海水所吸收特性，所以致力于藍綠激光空對潛通信技術的研究。

利用激光亮度高和方向性強等特點，研制了一些激光武器。激光武器是直接利用激光的巨大能量，在瞬間危害和摧毀目標的一種武器。激光武器又稱輻射武器或死光武器從60年代開始研制了一些激光武器，近年來在低能激光武器方面已向實用化過渡，少數(shù)國家從70年代開始已在艦艇、飛機和地面裝備了少量激光眩目、致盲類激光武器，但作用距離近、殺傷威力還有待提高。激光武器的研究從60年代起至今已有不少成果，美、蘇、英、德等國強激光武器的發(fā)展隨著自從80年代美國“星球大戰(zhàn)”計劃實施之后，化學激光器等高能激光武器的研制相繼取得一系列重大進展，但距實用階段還有較長的路要走。

由于激光是一種受激輻射后所產(chǎn)生的具有方向性強、單色性好、亮度高和相干性好等特點的光源，所以從20世紀末期開始了一種新型激光陀螺的研制。這種陀螺的基本原理是：使用環(huán)形激光器使之在慣性空間轉動，產(chǎn)生正反兩種激光束，激光束隨慣性轉動產(chǎn)生拍頻效應，從而達到陀螺儀所要求的各種穩(wěn)定和轉速指標。激光陀螺與傳統(tǒng)的機電陀螺相比，最大的特點是不需要轉動部件，所以耐沖擊力強，堅固可靠，使用壽命較長。由于接通電源就能產(chǎn)生激光，所以不存在怠速反應，起動時間短，而且運行過程中的穩(wěn)定性好。激光陀螺的結構十分簡單，功耗很小，易于維護，造價低廉。最重要的一點，就是激光陀螺能夠直接輸出數(shù)字化控制信號，而不是像以前那樣先輸出模擬信號，再將其轉換為數(shù)字信號。能夠直接輸出數(shù)字信號，就能夠直接與計算機系統(tǒng)相連，這對于實現(xiàn)自動化或智能化控制非常重要。激光陀螺的這些特性，決定了它在軍事領域具有極為廣泛應用前景，比如軍用飛機導航系統(tǒng)、艦船穩(wěn)定平臺、戰(zhàn)略導彈、戰(zhàn)術導彈和航天器的慣性制導系統(tǒng)等。#p#分頁標題#e#

永不停歇的陀螺儀

記得很多年以前，每當冬季結冰之后，許多人喜歡到冰面上去滑冰，孩子們則時興玩兒陀螺，就是用鞭子不停地抽打一種稱作陀螺的玩具，只有用辮子給它一個能夠推動其旋轉的外力，這種陀螺就在冰面上不停地旋轉。這種旋轉中的陀螺，一般要具備三種要素：一是必須給它一個外力的推動，否則它自己無法啟動和旋轉；二是外力的推動最好是恒定有力的，只有這樣陀螺才會保持較高的轉速；三是只要陀螺能夠高速旋轉，它就能夠在起伏不平的冰面上保持一種相對穩(wěn)定狀態(tài)，而且女干部始終使陀螺平面保持平穩(wěn)。利用高速旋轉來保持穩(wěn)定的這種陀螺原理，其實已經(jīng)被廣泛地應用于我們的工作和生活之中。比如，美麗的芭蕾舞演員在臺上表演的時候，她總是用腳尖像陀螺那樣不停地旋轉，否則，演員根本不可能用腳尖長久支撐高達的身軀，也不可能保持自身的平衡。具有空中芭蕾之稱在懸空的鋼絲上行走自如或騎車表演的演員，通常必須手握一根具有良好彈性的長桿，或者雙手各執(zhí)一種物件，以保持動態(tài)平衡。如果走鋼絲的演員兩手空空，就很難像在地上那樣行走自如。既然芭蕾舞演員、空中雜技演員都需要一種動態(tài)平衡，那么飛機、艦船、車輛和導彈在運動過程中也需要這樣的平衡，因為如果沒有平衡，就不能保持平臺的穩(wěn)定，平臺不穩(wěn)定就會出現(xiàn)翻滾，也就沒有安全和效能可言。

陀螺通過旋轉來達到自身的平衡和穩(wěn)定，這一點比較容易理解。但是，飛機和導彈上的陀螺儀是怎樣達到讓飛機和導彈達到平衡和穩(wěn)定的呢？這個問題相當復雜，很難用幾句話說清楚。但是，我們可以從分析芭蕾舞演員和空中雜技演員表演過程中的信息反饋及控制過程得到啟發(fā)。以空中雜技演員為例，他在空中走鋼絲的過程中，手握一根長桿，當長桿偏向左邊的時候，為了保持身體重心平穩(wěn)，他必須相應地把長桿向右邊傾斜，以抑制身體重心向左邊繼續(xù)偏離；如果因為長桿右移而導致身體中心右偏，他必須相應地再把長桿向左邊移動，以調整身體的重心。走在鋼絲上的演員，以及在舞臺上表演芭蕾舞演員，基本上都是按照這樣的平衡原理進行自身重心的調整。飛行中的飛機和導彈與表演中的雜技演員和芭蕾舞演員一樣，同樣需要通過類似的方法來調整自身的重心，最終達到平衡的目的。當演員肢體出現(xiàn)重心偏移征兆的時候，就會迅速將偏移信息傳送給大腦，大腦神經(jīng)中樞立即下達指令給左手或右手，使之做出相應的調整，以達到平衡。當飛機或導彈出現(xiàn)重心偏移的時候，陀螺儀就會迅速將偏移信息傳送給水平舵或垂直舵，調整俯仰或平飛姿態(tài)，使之正確地向接近。