无人机悄无声息地滑翔在荒芜的新墨西哥州上空，突然失控，一头栽向地面。
随后，一枚迫击炮弹从发射器升起，划出一道高弧线，开始向目标下降，却在半空中突然闪光爆炸。
在沙漠地面上，在一辆大型沙色卡车的顶部，一个立方体装置转动并发出看不见的红外光束，连续击中一个又一个目标。这款高能激光移动演示器（HEL MD）是航空航天巨头波音公司为美国陆军开发的激光武器原型。在卡车内部，波音公司电物理工程师斯蒂芬妮·布朗特盯着笔记本电脑屏幕上的目标，并使用手持游戏控制器控制激光。“它有非常像游戏的感觉，”她说。
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这似乎很自然：激光武器是现代视频游戏的主要内容，各种射线枪在科幻小说中也很常见，早在 1960 年首次展示真正的激光之前几十年就已出现。但它们不再是幻想。波音公司的原型只是近年来美国和欧洲开发的几种此类武器之一，这在很大程度上归功于相对廉价、便携且坚固耐用的激光器的出现，这些激光器使用光纤产生光束。
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激光武器的军事现实
这些光纤武器的输出功率以千瓦 (kW) 为单位衡量，比曾经为美国战略防御倡议（一项最终失败的冷战计划，旨在利用激光摧毁携带核弹头的弹道导弹）设想的兆瓦级设备低几个数量级。
但现代的、不那么雄心勃勃的武器正处于实际部署的边缘。波音系统等测试表明，激光器有足够的功率来应对恐怖组织的威胁，而且成本仅为传统防御系统的一小部分。“对于摧毁像小型迫击炮或用污水管制造的火箭弹等廉价武器来说，这是一种非常经济高效的解决方案，”布朗特说。
例如，在 2014 年末，美国海军展示了一种名为 LaWS 的舰载激光武器系统，它可以瞄准恐怖分子和海盗使用的小型船只。这种实验性武器目前安装在海湾地区的美国海军“庞塞”号两栖支援舰上。
开发人员警告说，全面部署仍然面临许多挑战，从需要提高武器的功率到在雾和云中操作激光的难度。但国防和安全专家开始认真对待激光。“经过近半个世纪的探索，今天的美国军方正处于最终部署具有作战意义的定向能武器的风口浪尖，”华盛顿特区新美国安全中心 (CNAS) 的先进技术专家保罗·沙雷在四月份发布的一份关于激光武器的报告中写道。
功率困境
长期以来，激光武器一直让武器开发商着迷，尤其是在 20 世纪 80 年代和 90 年代战略防御倡议（绰号“星球大战”）的全盛时期。CNAS 报告称，美国在激光武器研究上的支出在 1989 年达到顶峰，当时政府支出了相当于 2014 年美元 24 亿美元的资金。此后，资金一直保持在较低水平。然而，最初的目标，即能够击落来袭的弹道导弹，被证明是无法实现的。
任何激光武器的诀窍都是将其能量聚焦到一个足够小的光点上，以便加热和损坏目标，并且使用紧凑且便携到足以用于战场的机器来实现这一点。说起来容易做起来难。例如，1996 年，美国空军启动了机载激光项目，作为其对防御弹道导弹的贡献之一。由于当时不可能通过电力产生所需的兆瓦级光功率，开发人员选择了化学氧碘激光器 (COIL)，该激光器可以通过化学反应提供燃料。但是 COIL 非常笨重，只能由波音 747 运输，并且几乎没有剩余空间用于激光燃料。“它需要远程混合装置和重达数万磅的化学品，”洛克希德·马丁空间系统公司定向能系统主管保罗·沙塔克说，该公司为该项目提供了光束控制技术。
海军研究实验室（位于华盛顿特区）定向能物理学高级科学家菲利普·斯普兰格尔说，另一个主要问题是大气层。他说，光束不仅会被灰尘和自然湍流散射，而且它的通过还会引起“热晕”。斯普兰格尔解释说，当光束以非常高的功率传播时，“大气层会吸收激光，加热空气并导致激光束扩散”。反过来，这种扩散会消散激光的能量。
对于机载激光项目来说，好消息是这个问题至少有一个解决方案：自适应光学技术，类似于天文学家用来清晰观测星星的技术（参见《自然》517, 430–432; 2015）。该技术使用反射镜自动扭曲激光束，从而抵消湍流的影响，其效果与一副眼镜矫正眼睛的像差相同。“当激光束穿过大气层时，”沙塔克说，“它会变得清晰，并且到达目标时会变得又好又紧。”
到 2010 年，自适应光学技术已经足够好，足以让机载激光器摧毁飞行中的弹道导弹。然而，到那时，后勤问题（如尺寸问题）已导致国防部对一般能源武器失去热情。它在 2012 年初彻底取消了机载激光计划。与此同时，国防部在一般高能激光器上的支出正在下降；它从 2007 年的 9.61 亿美元降至 2014 年的 3.44 亿美元。
聚光灯下的光纤
这笔钱并没有完全消失：注意力已经转移到光纤激光器上，将其作为一种更经济地交付成果的方式。光纤激光器于 1963 年发明，自 20 世纪 90 年代以来，几乎完全由位于马萨诸塞州牛津的 IPG Photonics 公司推动发展。其他固态激光器使用刚性的棒、板或圆盘状晶体来产生光束，因此必须相当大，而光纤激光器使用可以缠绕成紧凑线圈的细光纤（参见“光纤功率”）。光纤可以从 DVD 播放器中使用的廉价激光二极管的更亮版本中收集光能，然后将光放大到更高的功率，总的电光转换效率大于 30%。这至少是其他固态激光器典型效率的两倍，并且接近 COIL 等化学激光器的效率。而且，由于其本质上细长，光纤具有高表面积与体积比，可以非常快速地辐射掉废热，这种能力有助于激光器具有较长的工作寿命和较低的维护要求。
这些优势在 20 世纪 90 年代首次引起关注，当时光纤激光器开始用于增强通过海底电缆传输互联网数据的光信号。但自 21 世纪初以来，IPG 一直专注于开发千瓦级工业激光器，用于焊接、钻孔和切割，这些设备也引起了军事研究人员的关注。
沙塔克回忆说，大约在 2010 年，他和洛克希德·马丁公司的同事听说了以色列平民遭到从加沙地带发射的火箭弹袭击。“一个村庄的村长站起来说，‘请给我某种防御手段，’”沙塔克说。这启发了洛克希德·马丁公司开发区域防御反弹药 (ADAM) 系统，该系统使用 IPG 的现成 10kW 激光器来降低成本。自 2012 年以来，该公司已证明 ADAM 可以摧毁约 1.5 公里外的目标，例如船只、无人机和模拟小口径火箭弹。尽管洛克希德·马丁公司不愿透露 ADAM 的价格，也不愿透露是否有人购买了该系统，但该公司表示，现在已准备好向客户提供该系统。
布朗特对波音公司的 HEL MD 原型机毫不讳言，该原型机也使用了商用 10kW 光纤激光器。她说，该系统从车辆发动机或单独的发电机获取电力，“发射激光足够长的时间以摧毁多个目标，只需不到两杯燃料。” 这使得它比传统导弹更便宜地用于防御。“一枚廉价导弹的价格为 10 万美元，而且只能发射一次，”波音公司定向能系统主管戴维·德扬说。“发射一次激光武器系统的成本不到 10 美元。”
布朗特强调，激光武器的复兴至少与先进的图像识别和瞄准系统一样归功于激光本身。“指向和跟踪系统越好，”她说，“你就越能将光束对准目标最脆弱的点。”
得益于计算机化瞄准，HEL MD 可以完全自主模式运行，波音公司在 2014 年 5 月成功测试了这一点，尽管试验发现了一个意想不到的挑战。该武器的激光束是无声且不可见的，并非所有目标在被摧毁时都会爆炸，因此一场自动化战斗可能在操作员注意到任何情况之前就结束了。“交战发生得很快，除非你 24/7 地盯着屏幕，否则你永远不会看到它们，”布朗特说。“所以我们为每次发射激光都内置了声音。我们计划利用大量的《星际迷航》和《星球大战》的声音片段。”
数量优势
瞄准和跟踪可能已准备好投入战斗，但功率仍然是一个问题。商用激光器的 10kW 输出功率对于激光武器来说处于低端。而使用光纤限制了光束的功率和质量，尤其是在高功率下，涌过光纤的光子级联会使光纤升温的速度快于其辐射能量的速度，因此可能会造成损坏。为了避免这种情况，研究人员正在努力组合来自多个激光器的输出。
实现这一目标的理想方法是“相干合成”，其中来自每个激光器的波以紧密同步的阵型一起行进。马萨诸塞理工学院面向国防的林肯实验室（位于列克星敦）的激光科学家范佐义说，这项技术已广泛应用于无线电和微波应用中。但相干性在可见光和红外光中更难实现。来自每个激光器的波必须具有几乎相同的波长，它们的振荡平面必须精确对齐，并且每个波的波峰和波谷必须重合。“在射频或微波中，波长为几厘米，”范说。“在光学中，波长约为一微米，因此能够进行这些类型的控制真的非常困难。”
但斯普兰格尔说，这可能无关紧要。2006 年，他和他的团队报告了计算机模拟结果，表明几个光纤激光束的“非相干组合”击中单个光点几乎与相干组合一样有效。他说，无论采用哪种方法，“当你在大气湍流中长距离传播时，你在目标上获得的大致相同的功率”。2009 年，他的团队通过使用反射镜将 4 个光纤激光束组合成一个 5 厘米的光点，击中 3 公里以外的目标，从而证实了这一理论。
在美国海军研究办公室斯普兰格尔研究的基础上，开发了 30kW 的 LaWS，它非相干地组合了六个商用光纤激光器。LaWS 自 2014 年 9 月以来一直安装在 USS Ponce 号上，并已在小型船只和无人机等物体上进行了测试。
导弹专家德国 MBDA 公司（位于施罗本豪森）也开发了一种类似的方法。2012 年 10 月，该公司成功地使用其 40kW 组合光纤束系统摧毁了在空中拖曳的约 2 公里外的模型炮弹。MBDA 的测试还有助于揭穿科幻小说中关于反射装甲可以防御激光武器的想法。他们发现，镜面上的任何灰尘都会被烧穿，甚至比非反射表面更快地导致目标被摧毁。
MBDA 未来系统主管马库斯·马丁斯泰特认为，与传统炸药相比，高精度瞄准最大限度地减少了在试图击落目标时意外伤害旁观者的可能性。“没有弹药碎片造成的风险，而且我们只在瞄准点精确对准目标时才开始照射，”他说。
洛克希德·马丁公司也在致力于开发激光武器，以应对比低成本 ADAM 系统能够应对的更复杂或更远的目标。例如，今年 3 月，该公司报告称，其先进测试高能资产 (ATHENA) 系统可以使安装在测试平台上的小型卡车的运行发动机失效。ATHENA 使用了类似于机载激光器的自适应光学系统，并结合了洛克希德公司的加速激光演示倡议 (ALADIN) 光纤激光系统。
ALADIN 将几个光纤激光器的输出（每个激光器具有略微不同的波长）组合成一个 30kW 的光束。这种“波长光束组合”方法起源于林肯实验室，类似于将互联网流量导入光纤电缆的方法。范指出，这种方法比相干组合更容易，但比非相干组合提供更高质量的光束，因此可以更轻松地从更远的距离击中小目标。
CNAS 访问学者、智库激光武器报告的主要作者贾森·埃利斯说，这些发展让他相信光纤激光武器正在走向成熟，并且新兴的进步可能使其功率达到数百千瓦，并将其射程扩大到数百公里。
尽管取得了这些进展，但 2014 年 2 月对美国国家安全专家的民意调查发现，只有五分之一的人相信定向能武器技术将在十年内成熟。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（位于加利福尼亚州利弗莫尔）的光子科学项目经理迈克尔·卡特警告说，今天的激光器离科幻小说中的激光器还很远。“它们还不是《星际迷航》中的相位枪，”他说。“人们谈论光速交战，但摧毁目标仍然需要时间。在最基本的层面上，如果你看不到它——如果雨雾太大——你的激光就无法击中它。” 他认为，当前这一代演示系统的最大价值可能在于在更好的激光器出现之前，找出如何应对这些更广泛的挑战。“不要将他们在 USS Ponce 号上所做的事情误认为是新的战略优势，”卡特警告说。“这可能是朝着这个方向迈出的第一步，但它本身不会改变游戏规则。”
即使是武器公司也谨慎地避免夸大其词。例如，MBDA 预计，即使在数十千瓦范围内，真正的作战系统也需要 3-5 年才能出现。在某些情况下（例如雾天），传统武器将始终更有效。“你给未来的防御者两者兼而有之，并将选择权交到他们手中，”德扬建议道。
沙雷声称，尽管光纤激光武器的能力有限，但它们可能会在 5-10 年内在美军防御中找到一席之地。“它们可能没有‘星球大战’概念那样宏大和具有战略意义，”他说，“但它们可以挽救生命，保护美国基地、舰船和服务人员。”
本文经许可转载，最初于 2015 年 5 月 27 日首次发表。