由于光学纤维应用于激光器的开发，激光武器正在从科幻构想变成战场上的现实装备。
在未来战争中，激光武器可在防御领域中占据一席之地
一架无人机从新墨西哥州的不毛之地上空悄然掠过，瞬间突然失去了控制，一头栽向地面……向无人机发起攻击的是停放在沙漠中的一辆沙粒色大卡车，其车顶上的立方体机器在不停地转动，发射着肉眼看不见的红外线以摧毁目标――这是航空巨头波音公司为美国军队开发的高能激光移动演示器（HEL MD）。
卡车内部，波音公司电子物理学工程师斯蒂法妮·布朗特（Stephanie Blount）正盯着电脑屏幕上的目标，用手持游戏控制器指挥激光发射。她说：“这真像似在玩电子游戏。”
事实上，第一台真正的激光器发明于1960年。在此之前，科幻作品里就出现了各式各样的射线枪，包括电子游戏中的“激光枪”，只是今后它们再也不是幻想了。而波音公司研发的HEL MD只不过是近年来美欧研制的诸多激光武器中的一种，其廉价、便携和高功率要归功于光学纤维的应用。
这款融入光学纤维的HEL MD其输出功率是千瓦级，远低于美国战略防御计划设想中的兆瓦级，这一冷战时期提出的计划设想用激光来摧毁携带核弹头的弹道导弹，最终没获成功。
如果不抱那么高期望的话，现代激光武器将很快投入使用。诸如HEL MD之类的测试表明，其用来应对恐怖袭击绰绰有余，且花费仅是常规防卫开销的一小部分。布朗特认为：“这类武器非常适合抗衡恐怖分子发射的小型迫击炮或者火箭弹。”
当然，要提高激光功率、克服在雾天和灾害天气里使用激光武器等障碍，研发人员还要面对很多挑战。不过，国防和安全专家越来越重视激光武器的应用。“我们已经探索了近半个世纪，美国军队目前正处在部署定向能武器（束能武器）的关键时刻。”设在华盛顿的新美国安全中心（CNAS）高级技术专家保罗·沙尔（Paul Scharre）在今年4月发布的一份激光武器报告中写道。
功率的困境
一直以来激光武器让研发人员们着迷，尤其在上世纪80～90年代美国战略防御计划（星球大战）的全盛时期。根据CNAS的报告，1989年美国在激光武器研究上投入的经费大约相当于2014年的24亿美元，达到了顶峰。从那以后，经费一直维持在较低水平。然而，当时设定的目标――击落来犯的弹道导弹――看来是难以企及了。
激光武器的关键是将能量集中到一个足够小的点上，加热后发射直至破坏目标。1996年，作为弹道导弹防御系统的一部分，美国空军启动了一项机载激光计划，由于输出功率达不到兆瓦级，研发人员选择了化学氧碘激光器（COIL）进行化学反应激发。但COIL非常庞大，需要用波音-747运载，留给激光燃料的空间也就很小了。“除了混合装置外，当时还需要数万磅化学物质。”洛克希德·马丁公司定向能系统主管保罗·沙特克（Paul Shattuck）说。该公司为上述项目提供光束控制技术。
美国海军研究实验室定向能物理学家菲利普·斯普兰格尔（Phillip Sprangle）认为，另一个主要问题是空气。激光不仅会被灰尘和空气湍流散射，还会经历热晕效应。他解释说，当高能光束传播时，周围空气会吸收激光并导致其扩散，而扩散则减弱了激光的能量。
不过对于机载激光计划来说，采用自适应光学技术可以消除传播过程中能量减弱的问题，使光束完美集中在目标上（类似天文学家观测星空的方法）。该技术用反射镜面自动调节激光的角度，以消除湍流的影响，结果类似校正眼睛相位差的效果。
到了2010年，自适应光学机载激光设备已经具备了摧毁飞行中的弹道导弹能力。然而，当时因装置规模、后勤保障等问题让美国国防部（DOD）失去了进一步研发的热情。2012年年初，DOD彻底取消了机载激光武器项目，高能激光研究经费同时也被消减，从2007年的9.61亿美元降至2014年的3.44亿美元。
在经费被消减的同时，DOD把研究重心转向了更为经济的光纤激光器上。光纤激光器发明于1963年，自上世纪90年代以来，全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics几乎包办了该领域的所有技术进展。就固体激光器而言，采用的是平板或水晶圆盘激发光，体积可想而知。而光纤激光器使用的光学纤维可压缩到小型线圈中（见“纤维的能量”图），因纤维细长其表面积大，散热迅速。比如，DVD播放器中使用的集纤维、光能的激光二极管，其整体电光转化率高于30%，至少是其他固体激光器效率的2倍。
非相干组合
光纤激光器开始被用于海底电缆，以增强携带有互联网数据的光信号。据沙特克回忆，2010年左右，当得知以色列平民遭受从加沙地带发射的火箭袭击后，激发了洛克希德·马丁公司研发区域防御反弹（ADAM）系统的灵感。自2012年来，马丁公司通过试验证实，10千瓦光纤激光的ADAM能够摧毁船只、无人机和1.5公里外的小口径火箭炮等目标。
与导弹相比，激光武器用于防御更为划算。HEL MD同样采用了10千瓦光纤激光器，布朗特表示：“只用不到两茶杯燃料就能摧毁很多目标。”波音公司定向能部门负责人大卫·德扬（David DeYoung）说：“便宜的导弹每个也值10万美元，而且是一次性的，而激光武器每发射一次成本不到10美元。”
2014年5月，在计算机引导定位下，HEL MD实现了全程自动控制，发出的激光束无声无息，肉眼不可见，所有被摧毁的目标不是都会爆炸，战争几乎结束在瞬间。布朗特强调，得益于先进的图像识别和定位系统，光束能集中在既定的目标上。
瞄准和定位系统解决后，但10千瓦激光器的输出功率仍是激光武器的下限，主要原因是，传播过程中高能光子流将纤维加热的速度远远大于纤维的散热速度，容易对设备造成损害。
理想的方法是采用非相干合成光束技术，即多个激光器中发出的光波形成紧密同步。施普兰格尔表示，2006年他和团队成员发现，计算机模拟表明，多个光纤激光器光束非相干组合形成的单光点几乎和相干性组合一样有效。“通过空气湍流远距离发射，最终打击目标的光束功率相同。”2009年，他们用镜面把4个光纤激光器光束聚集到3公里外一个5厘米的点上。
在施普兰格尔工作的基础上，美国海军研究实验室开发了30千瓦的LaWS，将数台光纤激光器进行非相干组合。自2014年9月以来，LaWS已经被安装在海湾地区美国两栖补给运输船“庞塞号”上，用以摧毁无人机和恐怖分子乘坐的小型船只。
科幻变现实？
2012年10月，德国导弹专业公司MBDA也成功地利用40千瓦联合光纤激光束系统，摧毁了约2公里外的模拟飞行物。MBDA的马库斯·马丁施泰特（Markus Martinstetter）认为，在击落目标物时，高精度瞄准系统能最大程度减少意外伤害的机率，尤其与常规炸药相比，“没有弹片飞溅的风险。”
今年3月，洛克希德·马丁公司宣布，其研制的ATHENA光纤激光系统（类似机载激光自适应光学系统）可以摧毁正在运行中的卡车引擎――ALADIN组合了多种光纤激光器的输出，形成了一个30千瓦光束。这种“多波长光束组合”方法是林肯实验室的首创，类似于互联网流量采集引入光纤电缆的方法。有专家指出，与相干组合相比，这种组合能形成更好的光束，更容易击中远程目标。
图为波音公司开发的HEL MD系统
激光武器报告主要执笔者、CNAS的杰森·埃利斯（Jason Ellis）相信，光纤激光武器的时代将要到来。他认为，以目前这样的速度发展，激光武器功率达到几百千瓦、射程扩展到数百公里以外，几乎是唾手可得的。
尽管进步神速，2014年2月的一次民意测验中，美国国家安全专家发现，只有五分之一的人认为定向能武器技术将在十年内成熟。
加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室光子科学项目经理迈克尔·卡特（Michael Carter）谨慎表示，要想从科幻变成现实，激光武器还有很长的路要走。“现在还没有研究出类似《星际迷航》中的移相器，”他说，“人们以为未来战争会以光速进行，但有些基本问题还没有解决。”他认为，目前这一代示范系统的最大价值是让人们学会如何处理各种问题。“别以为赋予了‘庞塞号’新的战略优势，这只是走出的第一步，但不是质的变化。”
包括MBDA也很谨慎，他们预计要开发出功率兆瓦级的激光武器系统至少还需要3～5年时间。他们认为，激光武器是未来重要的防御手段之一，尽管选择权掌握在人类手中。但在雾天等特殊情况下，常规武器会更加有效。
沙尔称，虽然目前光纤激光武器能力较弱，但在未来5～10年内，它将在美国军队防御领域占据一席之地。“它们可能不会像“星球大战”概念那样宏大，但它们能拯救生命、保卫安全。”
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣