一架無人機悄無聲息地在美國新墨西哥州貧瘠的土地上空滑翔——突然，它失去了控制，急速墜落到地面。
波音公司的高能激光移動演示系統(tǒng)
“龐賽”號上的激光武器系統(tǒng)
被ALADIN擊中的汽車
然后，一發(fā)迫擊炮彈從發(fā)射器中射出，劃過一條高聳的弧線后落向目標——結果卻在半空中爆炸了。
一輛沙土色的大型卡車停在沙漠上，其頂部有一個立方體裝置在轉動，正是此裝置發(fā)射出的隱形紅外光束一個接一個地摧毀了無人機和炮彈。這種“高能激光移動演示系統(tǒng)” (簡稱HEL MD)是航空航天業(yè)巨頭波音公司為美國陸軍研發(fā)的原型激光武器。在車內，波音的電子物理學工程師斯蒂芬妮·布朗特（Stephanie Blount ）看著筆記本電腦的屏幕，盯著目標并用游戲機手柄調整激光的發(fā)射方向。她說：“這感覺就像是在打游戲。”
波音公司的高能激光移動演示系統(tǒng)
這樣的情景在我們看來非常自然：激光武器是現(xiàn)代視頻游戲的一個基本元素，而且，早在第一臺激光器于1960年問世之前的數十年里，各種射線槍就已經遍布于科幻小說之中了。不過，現(xiàn)在這類武器已不再是個幻想。波音的原型激光武器僅是近年來美國和歐洲研發(fā)的多種同類武器中的一個，這類武器的出現(xiàn)，很大程度上得益于相對廉價、便攜且堅固耐用的光纖激光器的問世。
這些激光武器的輸出功率為數千瓦，比曾設想用于美國“戰(zhàn)略防御計劃”（又稱星球大戰(zhàn)計劃）的兆瓦級激光器低好幾個數量級。“星球大戰(zhàn)計劃”是美國在冷戰(zhàn)期間制訂并最終廢棄了的計劃，該計劃打算利用激光武器摧毀攜帶核彈頭的彈道導彈。
雖然現(xiàn)代激光武器的設計目標沒那么高遠，但它很快就要降臨現(xiàn)實世界了。對波音系統(tǒng)等激光武器的測試表明，激光有足夠的力量壓制來自恐怖組織的威脅，而耗資僅為傳統(tǒng)防御系統(tǒng)的一小部分。布朗特說：“要對付小型迫擊炮或用下水管制成的火箭筒等造價低廉的武器，這是個性價比很高的解決方案。”
例如，2014年底美國海軍展示的一種叫做LaWS的艦載激光武器系統(tǒng)能夠攻擊恐怖分子和海盜駕駛的那種小型船只。這種實驗性武器現(xiàn)已安裝在美軍駐扎于波斯灣的兩棲運輸艦“龐賽”號（Ponce）上。
“龐賽”號上的激光武器系統(tǒng)
研發(fā)者提醒，要全面部署激光武器還面臨很多挑戰(zhàn)，包括提升武器的功率，攻克在大霧和多云條件下操縱激光的難題等。但是，防務和安全領域的專家已經開始重視激光武器了。新美國安全中心（CNAS）的先進技術專家保羅·沙勒（Paul Scharre）在今年4月份發(fā)布的激光武器報告中寫道：“經過將近半個世紀的探索，今日的美軍終于即將部署可用于實際軍事行動的定向能武器。”
功率難題
長久以來，武器研發(fā)者一直對激光武器充滿興趣，尤其是在上世紀八九十年代，美國星球大戰(zhàn)計劃正在火熱進行之時。根據CNAS的報告，美國在激光武器研究上的投入在1989年達到了頂峰，當時政府支出的金額相當于2014年的24億美元。自從那時起，研究經費雖然不再有那么多，但一直沒有中斷。然而最初的目標，即用激光擊落襲來的彈道導彈，卻被證明是無法實現(xiàn)的。
任何激光武器的原理都是將能量集中到足夠小的一點上，來加熱并摧毀目標——而且要用適合戰(zhàn)場的小型便攜式設備實現(xiàn)這點。這說來容易，做起來難。例如，1996年美國空軍啟動了“機載激光武器”（Airborne Laser）項目，打算以此作為空軍協(xié)助防御彈道導彈的一個手段。由于那時通過電力不可能獲得武器所需要的兆瓦級功率的能量，研發(fā)者們選擇了化學氧碘激光器（簡稱COIL），這種激光器的能量可通過化學反應獲得。但是COIL體積太龐大，只有波音747飛機才能裝得下，而且沒給激光器的燃料留多少空間。洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space Systems）為此計劃提供了光束控制技術，該公司定向能系統(tǒng)的研究主管保羅·沙特克（Paul Shattuck）說：“COIL需要上萬磅的遠程混合裝置和化學原料。”
另一個主要問題是大氣，美國海軍研究實驗室的定向能物理學資深科學家菲利普·斯普蘭格（Phillip Sprangle）說。光束不僅會被塵埃和天然湍流散射，而且在其路徑上還會產生“熱暈效應”。斯普蘭格解釋道，功率極高的光束傳播時，“大氣吸收激光，加熱空氣而導致激光發(fā)散”。光束發(fā)散就會導致激光能量分散。
對機載激光武器項目來說，有個好消息，至少還是有辦法可以解決這個問題的：即自適應光學技術，就是類似方法讓天文學家可以更清楚地觀測恒星。此技術采用鏡面自動扭曲激光光束，抵消湍流的影響，作用相當于矯正眼睛視覺偏差的眼鏡。沙特克說：“當激光穿過大氣時，光束會變得整齊起來，激光到達目標時將是非常集中的。”
到2010年，自適應光學技術已經發(fā)展到足以讓機載激光武器摧毀飛行中的彈道導彈了。盡管如此，到那時為止，諸如尺寸等后勤方面的問題已經使得美國國防部基本失去了發(fā)展能量武器的熱情，在2012年初徹底廢棄了機載激光武器項目。與此同時，美國國防部在高能激光器上的總體支出也在下降，從2007年的9.61億美元降至2014年的3.44億美元。
備受矚目的光纖
盡管如此，資金并未完全撤出。研究重點已經轉移到光纖激光器，從而以更經濟的方式取得成效。光纖激光器是1963年問世的，從20世紀90年代開始，這種技術的進步幾乎要完全歸功于馬塞諸塞州牛津鎮(zhèn)的IPG Photonics公司。其他的固態(tài)激光器都是采用剛性的晶體棒、晶體板或晶體片來產生激光，所以體積都相當大，而光纖激光器采用的是能夠纏繞成緊湊線圈的纖細光纖（見“光纖的放大效應”）。光纖能夠從激光二極管——跟DVD播放器里用的廉價激光頭一樣，就是更亮一些——收集光能，然后把光的能量放大，總體上從電能到光能的轉化率超過30%。這樣的效率至少是其他固態(tài)激光器的兩倍，接近COIL等化學激光器的轉化率。另外，由于光纖本身既長又纖細，其表面積與體積之比非常大，能夠快速地把廢熱散發(fā)出去，這種能力可以讓激光器擁有很長的使用壽命，同時也降低了維護需求。
20世紀90年代，光纖激光器開始用于改善海底光纜中的光信號，以更好地輸送互聯(lián)網數據。正是在這一時期，光纖激光器的這些優(yōu)點引起了業(yè)界的關注。不過，自21世紀初期以來，IPG公司重點開發(fā)的是用于焊接、鉆孔和切割的千瓦級工業(yè)激光器——這類設備也引起了軍事研究者的關注。
大約在2010年，沙特克回憶到，他和洛克希德·馬丁公司的同事們收到了一些以色列平民的來信，這些人正遭受加沙地帶發(fā)射的火箭彈的威脅。他說：“一個村子的村長站出來說，‘求你們給我們一些保護自己的辦法。’”這激勵了洛克希德·馬丁公司研發(fā)“區(qū)域防御反彈藥激光武器系統(tǒng)”（簡稱ADAM），這個系統(tǒng)采用了IPG公司生產的標準10千瓦激光器以節(jié)約成本。自2012年以來，洛克希德·馬丁公司已證明ADAM有能力摧毀1.5千米范圍內的船只、無人機和小口徑火箭彈等目標。盡管洛克希德·馬丁公司還不愿意透露ADAM的價格，或者是否已經有人購買，但他們表示公司現(xiàn)已準備好為客戶提供這種系統(tǒng)。
不同于有所保留的洛克希德·馬丁公司，布朗特大方透露了波音HEL MD原型系統(tǒng)的很多信息。這種激光武器系統(tǒng)用的也是商用10千瓦光纖激光器，可從汽車引擎或獨立的發(fā)動機獲得能量，布朗特說：“只要不到兩杯的燃料就能讓激光維持足夠長的時間來摧毀多個目標。”用于防御時，這要比傳統(tǒng)的導彈經濟很多。波音公司定向能系統(tǒng)負責人戴維·德楊（David DeYoung）說：“一發(fā)便宜的導彈也要10萬美元，而且只能用一次。而激光武器系統(tǒng)打一次還用不了10美元”。
布朗特強調，激光武器的復興與圖像識別和瞄準系統(tǒng)的進步是密不可分的。“瞄準和追蹤系統(tǒng)越完善，光束就能越有效地打擊目標最薄弱的部位。”她說。
得益于計算機控制的瞄準系統(tǒng)，HEL MD能夠以全自動模式運行。波音公司在2014年5月成功測試了這種模式，不過，試驗揭示了另一個意想不到的挑戰(zhàn)。激光武器的光束無聲無息且不可見；還有，不是所有目標被摧毀后都會爆炸，因此一場自動化的戰(zhàn)斗可能在操作人員未察覺的情況下就結束了。“戰(zhàn)斗發(fā)生得非?？?，除非你24小時盯著顯示屏，否則根本注意不到，”布朗特說，“因此我們在系統(tǒng)里增加了聲音，每次激光器開火時都會播放。我們計劃用上很多《星際迷航》和《星球大戰(zhàn)》中的聲音片段。”
數量多，力量大
瞄準和定位技術可能已經整裝待發(fā)，但能量仍然是個問題。一臺商用激光器10千瓦的輸出功率已經是激光武器的底線，再低就沒什么用處了。而且，使用光纖會限制光束的能量和質量，原因之一是如果功率過高，大量光子涌入光纖會令其迅速加熱，來不及把熱量散發(fā)出去，因此而毀壞。為避免出現(xiàn)這個問題，研究人員正努力把數臺激光器輸出的光束組合起來。
實現(xiàn)這一目標的理想方式可能是“相干合成”，讓每臺激光器發(fā)出的光波以精確同步的形式一起傳播。麻省理工學院林肯實驗室的激光科學家范佐怡（Tso Yee Fan）說，相干合成技術在無線電和微波技術領域應用廣泛。但在可見光和紅外波段實現(xiàn)相干合成非常困難。每臺激光器發(fā)出的光的波長必須幾乎完全一樣，振動平面必須精確對齊，而且每列波的波峰和波谷也必須重疊。“無線電或微波的波長為數厘米，”范佐怡說，“但光學技術處理的波長大約僅有1微米，因此要進行這類控制真的非常困難。”
但斯普蘭格表示，這不是什么大問題。2006年，他和同事利用計算機模擬證明，用數個光纖激光器“非相干合成”得到的光束打擊一個點，效果與相干合成幾乎一樣。他表示，“當你穿越大氣湍流，遠距離發(fā)射激光時，最終擊中目標的光束功率幾乎相同”。2009年，他的團隊用實驗證實了這個理論，他們用鏡面把光纖激光器的4條光束匯聚到了3000多米外一個直徑5厘米的圈圈之內。
在斯普蘭格研究成果的基礎上，美國海軍研究所開發(fā)出了30千瓦的LaWS系統(tǒng)。該系統(tǒng)把6臺商用光纖激光器以非相干的方式組合起來。2014年9月，LaWS被安裝在“龐塞”號上，并已在小型船只和無人機等目標上進行了試驗。
歐洲導彈集團（MBDA）德國分公司也研發(fā)出一種類似的方法。2012年10月，該公司用其40千瓦合成光纖激光系統(tǒng)成功摧毀了大約在2000米外飛行的模型炮彈。MBDA的試驗還打破了科幻作品中用反射裝甲防御激光武器的幻想。他們發(fā)現(xiàn)，鏡面上的塵埃會燃燒起來，導致目標被摧毀，過程甚至比非反射性表面還快。
MBDA未來武器系統(tǒng)主管馬庫斯·馬丁施泰特（Markus Martinstetter）堅持認為，在試圖擊落目標時，高精度瞄準可以最大程度減小無關人員意外受傷的幾率，與傳統(tǒng)炸藥相比尤其是這樣。“沒有彈片四濺的危險，而且我們僅在準確瞄準目標時才會開啟激光。”他說。
洛克希德·馬丁公司也在致力于開發(fā)可以攻擊更復雜、距離更遠的目標的激光武器，他們的廉價ADAM系統(tǒng)對付不了這類目標。例如，今年3月，該公司報告其“先進測試高能量武器系統(tǒng)”（ATHENA）能夠成功摧毀安裝在測試平臺上的小型卡車的引擎。ATHENA系統(tǒng)采用了類似機載激光武器系統(tǒng)的自適應光學系統(tǒng)，以及該公司“加速激光演示行動”（ALADIN）中的光纖激光系統(tǒng)。
被ALADIN擊中的汽車
ALADIN將幾個光纖激光器輸出的光束組合起來，得到一束功率30千瓦的激光，每個光纖激光器波長都稍有不同。此“波長光束合成”方法是林肯實驗室原創(chuàng)的，與把互聯(lián)網數據傳入光纜的方法類似。范佐怡注意到，這種方法比相干合成更簡單，比非相干合成的光束質量更好，因此更擅長擊中距離更遠、體積更小的目標。
賈森·埃利斯（Jason Ellis）是CNAS的訪問學者，也是這家智庫激光武器報告的主要撰寫者。他表示，這樣的研究成果使他確信，光纖激光武器技術即將發(fā)展成熟，不斷涌現(xiàn)的技術進步可以讓激光武器的功率達到數百千瓦，并將攻擊范圍擴大到數百千米。
盡管有這么多進展，2014年2月，美國國家安全專家的一次投票顯示，僅有五分之一的專家認為，定向能武器技術將在10年內發(fā)展成熟。
邁克爾·卡特（Michael Carter）是美國勞倫斯·利福摩爾國家實驗室光子科學方向的一名項目負責人，他提醒說，今天的激光武器與科幻小說中的相去甚遠。“它們還不是《星際迷航》里的光炮，”他說，“人們談論光速的戰(zhàn)斗，但是摧毀目標還是要花費時間的。最基本的，如果你看不見目標——雨太大或霧太濃，你的激光器就打不中它們。”他認為，當前階段演示系統(tǒng)的最大價值可能在于，在更好的激光武器出現(xiàn)之前找出處理諸多挑戰(zhàn)的方法。“不要把‘龐塞’號上裝的激光器誤當成是新的戰(zhàn)略優(yōu)勢，”卡特提醒道，“這或許是沿這個方向邁出的第一步，但游戲本身不會改變”。
甚至軍火公司自己也知道不要過分樂觀。例如，MBDA公司預測，真正可用于實戰(zhàn)的激光武器系統(tǒng)即使是數十千瓦量級的，也還要3~5年后才能問世。而且在某些情況下，例如大霧天氣，傳統(tǒng)武器總是會更為有效。“你只需要為未來的防衛(wèi)者提供這兩種武器，將選擇權交到他們手上，”德楊建議道。
盡管光纖激光武器目前能力有限，但沙勒相信，在未來5~10年，它們將在美國國防力量中占據一席之地。“它們可能不會像《星球大戰(zhàn)》中的那樣規(guī)模宏大并具有戰(zhàn)略意義，但它們能拯救生命，保衛(wèi)美軍基地、船只和人員的安全。”他說。
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