軍用雷射技術
正文
套用于軍事領域的一項新興光電技術。主要研究受雷射輻射的產生、傳輸、探測、與物質的相互作用及其套用。雷射是利用光能、熱能、電能、化學能或核能等外部能量來激勵物質，使其發生受激輻射而產生的一種特殊的光。簡史 雷射原理是由美國物理學家C.H.湯斯、A.L.肖洛和蘇聯物理學家Н.Г.巴索夫、А.Μ.普羅霍羅夫等人在1958年提出的。1960年，美國物理學家T.H.梅曼製成第一台雷射器──紅寶石雷射器。其後，又有多種類型的雷射器相繼出現，同時也開始了雷射的套用研究。由於雷射能解決傳統光學和其他科學技術所不能解決的很多實際問題，因而獲得迅速發展和廣泛套用。20多年來，美、蘇等國都投入很大力量研究和發展軍用雷射技術。
原理和特點 物質中的原子、離子和分子等粒子都處於一系列不同的非連續的能量狀態，這些狀態稱為能級。通常，粒子都處於能量最低的能級──基態。當粒子受到外部能量的激勵時，它可吸收一定的能量躍遷到較高能級，這個過程稱為受激吸收。粒子總是力圖使自己處於能量最低的穩定狀態，處於高能級的粒子又會自發地躍遷到較低能級上，同時以光子形式釋放出多餘的能量。光子的能量等於兩能級之間的能量差，這種沒有外界作用的光發射稱為自發輻射。普通光源（如電燈、日光燈等）都是靠這種自發輻射發光的。由於各個粒子都各自獨立而無規律地進行自發輻射，所產生的光在方向、 頻率、相位和偏振態上都不相同， 相干性也很差。與自發輻射相反，如果有外來光子的引發或感應，則高能級上的粒子也會躍遷到低能級，並產生與入射光的方向、頻率、相位和偏振態都相同的光，這種由外來光子“刺激”引起的光發射稱為受激輻射。通常，高能級上的粒子數總是少於低能級上的粒子數，因而入射光使物質產生的受激輻射少於受激吸收，光束不會放大而是逐漸減弱。如果從外部不斷供應能量，則可使物質中處於高能級上的粒子數在某一時刻會比低能級上的多，這種現象稱為粒子數反轉。此時，在外來光子的引發下，會發生大量的受激輻射,從而超過受激吸收,使光放大。如果再外加一個諧振腔，則可使光束在其中往復反射，即形成持續的振盪，使光束不斷增強，最後從一端輸出強大的光，這就是雷射。
雷射的特點：①方向性強。即發散角很小，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;②單色性好。比最好的普通單色光源氪恠燈要高萬倍以上；③亮度高。可比太陽表面的亮度高几百億倍；④相干性好。如氪-86(
)燈的最大相干長度僅為幾十厘米,而氦氖雷射器的相干長度理論上可達幾十公里。 雷射器 產生雷射的裝置。它主要由三部分組成，即工作物質、激勵源（亦稱泵浦源）、諧振腔。工作物質是雷射器的核心部分，是用來實現粒子數反轉和產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，工作物質置於兩鏡之間。諧振腔的作用有二：①提供光學反饋能力以形成受激輻射的持續振盪，使光束不斷增強；②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。雷射器的種類很多。按工作物質的種類分，有固體、液體、氣體和半導體雷射器；按激勵方式分，有光激勵、電激勵、熱激勵、化學激勵和核激勵雷射器等；按運轉方式分，有連續波、單脈衝、重複脈衝和波長可調雷射器等。
已發現可產生雷射的物質有千餘種，雷射譜線有萬餘條,波長範圍從14埃到2毫米左右。連續輸出功率最高為幾兆瓦。脈衝輸出功率最高為幾十兆兆瓦。單脈衝輸出能量高至萬焦耳。最短脈寬達16毫微微秒。工作壽命最長的砷化鎵半導體雷射器能運行100萬小時以上。
軍事套用 主要用於偵測、導航、制導、通信、模擬、顯示、信息處理和光電對抗等方面，並可直接作為殺傷武器。已投入使用的軍用雷射技術裝備很多，如雷射測距儀、雷射雷達、雷射瞄準具、雷射制導武器、雷射陀螺、雷射通信、雷射訓練模擬器、雷射大螢幕顯示系統、雷射掃描相機、雷射引信和雷射致盲武器。正在研究中的有雷射模擬核爆炸裝置和強雷射武器等。
雷射測距儀 用雷射測定目標距離的裝置。20世紀60年代初研製成功，1969年投入戰場使用。這種裝置已大量生產和裝備部隊，主要用於坦克、火炮、艦艇和飛機等的火控系統中，也用在軍用太空飛行器和靶場的測量設備上。其特點是測量速度快，精度高，可使武器的首發命中率提高到80％以上。自70年代以來，已生產和裝備的雷射測距儀有百餘種,大都採用釔鋁石榴石雷射器,測距精度多為±5～10米。其發展趨向是： ①實現標準化、系列化和通用化，使之兼有指示、瞄準等多種功能，並能與紅外、微光、電視裝置和軍用電子計算機結合使用；②研製具有大氣傳輸性能好、對人眼無損害等優點的新型雷射測距儀，如二氧化碳雷射測距儀、摻鈥（或鉺）的氟化釔鋰雷射測距儀；③提高抗干擾能力，發展波長可調的雷射器件，如摻鉻的金綠寶石雷射器等。
雷射雷達 用雷射對目標探測、定位的裝置。它能跟蹤並測定目標的距離、方位和速度，能對目標進行識別、顯示、姿態測定和軌道記錄。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點。主要缺點是:①受大氣和惡劣天氣的影響大；②波束窄,搜尋和捕獲目標較困難。從1964年美國安裝、試驗世界上第一台靶場測量用的雷射雷達以來，雷射雷達技術已有很大發展。一些近距離的小型雷射雷達已相繼問世，並已用於探測在主動段飛行的飛彈，對飛機、巡航飛彈等的低仰角跟蹤測量、姿態測量以及對衛星軌道測量。也可用作微波雷達測量系統的校準源，還可在空間用於太空飛行器的會合與對接。美國還積極發展作為強雷射武器跟蹤瞄準系統的高精度雷射雷達，並研究將雷射雷達用於巡航飛彈上，以提高其超低空突防能力和命中精度。70年代末，戰術雷射雷達開始用於坦克、火炮、艦艇和飛機的火控系統，以及偵測化學和生物戰劑等。至80年代末，將有可能大量裝備戰術雷射雷達。其主要發展趨向是：研究更好的光束掃瞄和控制技術；改進現有的雷射器件並積極探索波長可調的雷射器；發展將雷射雷達與微波雷達結合在一起的複合系統等。
雷射制導武器 用雷射導引航彈、炮彈、飛彈等打擊目標的武器系統。已用的雷射制導方式有兩種，即半主動尋的制導和駕束制導。雷射制導武器是在60年代中期開始發展的，其中雷射制導航彈已於1972年在越南戰場公開使用。自80年代以來，雷射制導飛彈和雷射制導炮彈的生產和裝備數量也日漸增多。雷射制導武器的命中精度較一般其他武器大為提高。例如，雷射制導航彈，其圓公算偏差由原來的80～100米減小至3米以內；雷射制導炮彈,其圓公算偏差由原來的13～20米減小至1米以內；雷射制導的“獄火”反坦克飛彈的命中精度，比有線制導的“陶”式反坦克飛彈提高一倍。雷射制導裝置的結構簡單,成本較低,能晝夜使用。其弱點主要是：易受惡劣天氣的影響；在投射過程中，需用地面或機載的雷射目標指示器不斷照射目標直到命中，因而使地面前沿操作指示器的人員或空中指示目標的飛機，易受敵方火力攻擊。其發展方向是：①實現部件標準化、通用化；②採用多種制導方式的組件結構，以實現全天候和提高抗干擾的能力；③採用脈衝編碼技術，以增強抗干擾能力等。
雷射陀螺 套用環形雷射器在慣性空間轉動時，正反兩束光隨轉動產生拍頻效應而敏感轉速原理的一種新型陀螺。它同機電陀螺相比，有如下特點：①無轉動部件，耐衝擊，堅固可靠，使用壽命較長；②起動時間短；③結構簡單，功耗少，造價低；④以數字輸出，便於與計算機聯用；⑤動態範圍寬，可達2000°/秒；⑥易於維護。雷射陀螺可用於軍用飛機導航系統、艦船穩定平台、戰略飛彈、戰術飛彈和太空飛行器的慣性制導系統。
雷射通信 利用雷射傳輸信息的一種通信方式。由於雷射的頻率比一般無線電波高几個數量級，頻帶很寬，用雷射作載波可大大提高通信容量。60年代初，開始了大氣雷射通信的研究，60年代中期，研究工作擴大到空間雷射通信，但兩者進展都較緩慢。60年代末，光導纖維作為光的傳輸介質引入雷射通信後，雷射通信才以光纖通信為主要形式迅速發展起來。
大氣雷射通信具有保密和簡便等優點，但由於受大氣吸收、散射等影響，只適於近距離的定點或半定點通信，如海島之間、艦船之間、邊防哨所之間、飛彈發射陣地和指揮中心之間等，已有實用的通信系統。
空間雷射通信是在衛星之間、衛星與飛機或地面之間、衛星與潛艇之間進行的。這種通信優點很多，但難度也大。1980年以來，美國為提高潛艇的隱蔽性、機動性和生存能力，積極發展空間對潛艇的藍綠雷射通信。
光纖通信是最受重視的一種雷射通信形式。它已在民用領域投入使用，在軍事上的套用研究也很活躍。其主要優點是：頻頻寬，傳輸信息容量大；可節省金屬資源；損耗低,中繼距離遠，費用少；體積小,重量輕；可抗電磁脈衝和射頻干擾；無串音,不向外輻射電磁波,保密性好。國外正在開展的軍用光纖通信研究項目主要有：①陸、海、空三軍的短距戰術通信；②飛機、航彈、艦艇、車輛、衛星和飛彈等內部的信息傳輸；③在水下系統中的套用，如聲納線路、魚雷控制線路、潛艇與浮標間的線路等；④在飛彈發射陣地、核試驗基地、軍用計算機中心，雷達站和風洞實驗設施中的通信；⑤光纖制導的飛彈和魚雷等。
雷射對抗 隨著軍用雷射技術的發展和套用，雷射對抗與反對抗技術也日益受到重視。主要套用有：①雷射報警。用雷射警報裝置來探測敵方雷射系統的方位和距離，判定其結構和工作方式，並發出警報，使部隊及時採取對抗措施。②對抗雷射的措施。包括用雷射等強輻射直接毀傷敵方的雷射系統；發射假信號、誘餌欺騙敵方的雷射測距儀和雷射導引頭等；施放氣溶膠、煙霧等阻斷雷射束；使用塗料、光亮表面、角反射器、防護鏡和改變構形等防護雷射。③雷射反對抗手段。包括採用編碼技術;加裝濾光片、採用距離選通技術;採用多波段或波長可調的雷射器；採用同時裝有雷射、紅外、雷達和電視等導引頭的武器複合制導方式。
雷射訓練模擬器 用雷射模擬器模擬軍事訓練和實戰演習，於70年代初研製成功，現已普遍使用。其主要優點是：可模擬實戰條件，效果逼真；不消耗彈藥，不蝕損槍膛、炮膛；不受時間和地點的限制；保障訓練安全。國外已成功地將雷射模擬器用於坦克、槍炮和反坦克飛彈的射擊訓練和作戰演習，並正在進一步發展空地和防空作戰演習用的大型雷射訓練模擬系統。
雷射模擬核爆炸 用雷射照射氘-氚靶球,使之發生聚變反應，產生與核爆炸類似的一些效應，以模擬核爆炸，用之於研究核武器物理學和發展新型核武器。雷射模擬核爆炸具有節省費用和便於測試等優點，有可能部分代替或補充核試驗。美、蘇、英、法等國都在利用大型雷射裝置進行模擬核爆炸的研究。
雷射的廣泛套用促進了軍事技術的提高，顯著增強了偵測、識別、火控、制導、導航、指揮、控制、通信和光電對抗等的效能，並引起了戰術和訓練方式的變化，甚至將影響未來的戰略。例如，雷射訓練模擬系統使軍事訓練更為簡便、經濟、安全和逼真；雷射制導武器已影響到軍隊的部署和作戰樣式；強雷射武器的使用，可能給未來的戰略帶來重大變化。
展望 雷射技術的發展方興未艾，新的雷射器件將陸續出現,例如波長可調的自由電子雷射器、X射線雷射器和Υ射線雷射器等。隨著雷射技術的進一步發展，它在軍事上將會得到更廣泛的套用。
參考書目
天津大學精密儀器系編：《雷射技術》，科學出版社，北京， 1972。
冷長庚編：《固體雷射》，科學出版社，北京，1981。
