于北辰大破LY-1激光炮，此事早在200年前就有解了

先說個事情，這幾天的文章比較硬核，有泄密之嫌疑，為了縮減影響范圍，一些文章只有粉絲可見，不關(guān)注是看不到的。

昨天特別逗的一件事來自于于北辰，這位老哥說可以在坦克飛機上裝鏡子來破解我們的LY-1激光炮。對于這件事，W君給的回復(fù)是有可能性，也有合理性，在大的工程原則上是沒有錯誤的。

先解釋下為什么他的觀點合理：

其實，于北辰一語道出了在很長一段時間內(nèi)“激光武器不可行”的根本原因，原理上并不復(fù)雜，就是幾何光學(xué)中的一個基本“公理”叫做光路可逆。

1917 年，愛因斯坦在論文《關(guān)于輻射的量子理論》中提出了“受激發(fā)射（Stimulated Emission）”的理論：當(dāng)特定頻率的光子與激發(fā)態(tài)原子或分子相互作用時，電子會從高能級躍遷到低能級，并釋放出一個與入射光子頻率、偏振態(tài)和傳播方向完全一致的新光子。這樣，光場中的光子就會被“復(fù)制”并成倍增長。

這一理論最初只是物理學(xué)的推演，但在隨后的幾十年里逐漸被驗證和深入研究，最終發(fā)展出了一種全新的技術(shù)——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大），簡稱 Laser，即我們今天所說的“激光”。激光器的具體原理和理論咱們是可以單開一篇文章好好講的。但這件事和今天的話題關(guān)聯(lián)性并不是很大。

1960年美國研制出了第一臺激光器，我們在學(xué)術(shù)研究上也并不落后，中國的第一臺激光器在1961年就已經(jīng)可以工作了。

由于激光（這個詞是錢老取名的，之前咱們的叫法叫做“光的受激輻射放大器”、“光量子放大器”……）是光子的頻率、偏振狀態(tài)、方向、相干性完全一致的放大，而且可以做到成百倍甚至成百萬倍的放大，是帶有天然武器化屬性的，于是，從上世紀(jì)六十年代開始，世界各國便前赴后繼地投入到激光武器的研發(fā)中。

按照光學(xué)，尤其是幾何光學(xué)的基本理論，光當(dāng)然是可以被反射的。如果一個目標(biāo)表面能夠把大部分光能量反射掉，那么激光的沉積效率就會大幅下降。換句話說，同樣幾兆瓦的激光，真正能燒到裝甲上的，可能不到十分之一。更糟的是，若反射條件過于理想，部分激光甚至有機會原路返回，直擊發(fā)射端，這對激光器本身就是災(zāi)難性的威脅。

這正是困擾激光武器發(fā)展初期二十余年的瓶頸所在：一邊是能量供給的巨大負(fù)擔(dān)，另一邊是目標(biāo)材料的反射與抗燒蝕特性。簡單說，打不穿，反倒可能把自己燙傷。于是，從上世紀(jì)六十年代到八十年代，激光武器雖然熱鬧非凡，但基本停留在實驗室和試驗場，更多是作為“戰(zhàn)略忽悠”的噱頭而非真正能部署的戰(zhàn)斗力。

至于原路返回?zé)龤覀兊募す馀谝膊皇菦]有可能，只要是利用微結(jié)構(gòu)制造激光角反射器裝甲就可以有效的對付激光武器。

在現(xiàn)實生活中的激光應(yīng)用其實也避免不了這樣的現(xiàn)象。這也是為什么W君在開始的那個截圖中回復(fù)“高反射率材料是無法切割”的主要原因。

當(dāng)然了，這是“民用科技”，但如果到軍事上或者更高尖端的設(shè)備上，是如何避免激光器自殘的呢？

那么咱們就來復(fù)現(xiàn)一下LY-1的關(guān)鍵技術(shù)。

首先，一個激光武器本身就用不著那么大的鏡面的。而咱們的LY-1激光炮主鏡面直徑超過了1米。

這里有認(rèn)知誤區(qū)，激光武器并不是手電筒，并不是多大的“鏡頭”就放出多粗的光。

我們在看到的很多演示中看似很粗的光路，實際上是光路上的空氣被激光加熱所釋放出的紅外線，以及本身就是紅外線的激光被空氣中的顆粒散射的結(jié)果。

真正的激光武器照射在物體上的光斑實際上很小。

按照光學(xué)能量的理論來說越聚光，光線所能傳遞的能量就越大，殺傷力就越高，因此也就沒有必要弄出一米直徑的光路。

之所以把鏡頭（其實是窗口）開得那么大，主要的原因就是在于“能量密度管理”。讓激光炮本身不會被自己所發(fā)出的激光摧毀。激光炮不是發(fā)激光的嗎？怎么會被自己的激光摧毀呢？來看一張W君珍藏的資料圖片：

這輛坦克的炮管被另一輛坦克射出的炮彈所打穿。按理論上講坦克炮彈不就是坦克炮所發(fā)射出去的嗎？坦克炮承受不住一枚坦克炮彈的打擊？這里面的一個誤區(qū)就在于坦克炮本身的能量管理了。坦克炮的炮彈發(fā)射藥在點燃后產(chǎn)生高壓推動炮彈在炮管內(nèi)前進，當(dāng)壓力達(dá)到峰值的時候，炮彈已經(jīng)在炮管內(nèi)前進了一大段距離。

這時候，坦克內(nèi)的那一節(jié)炮管內(nèi)壁共同分擔(dān)發(fā)射藥所造成的最大膛壓，隨著炮彈繼續(xù)在炮管中前進，更多的炮管內(nèi)面積分擔(dān)膛壓的壓力，而炮彈則積累了能量轉(zhuǎn)化成動能最終飛出炮口。而坦克炮彈再打到坦克炮炮管上的時候情況就不一樣了。是在一個極小的接觸點集中釋放動能。坦克炮的全部動能，全部作用在極小的一塊打擊區(qū)域上。局部應(yīng)力瞬間超過鋼材的屈服極限和斷裂極限，于是即便是炮管就會像一層窗戶紙一樣被打穿，并不會比其他裝甲部分好多少。

其實，我們?nèi)绻烟箍伺诘膬?nèi)壁展開，再和坦克炮的口徑做對比，我們就會發(fā)現(xiàn)，這也是一個壓力分擔(dān)的“能量密度管理”案例。

在高能激光武器的射擊中，首先會做一個擴束的操作。將激光器所發(fā)出來能量十分集中的激光光束直徑擴大。

這個操作確保了激光在器材內(nèi)部傳遞是相對低能量不會對傳輸路徑上的部件產(chǎn)生危害，

等到了窗口鏡片的時候，再匯聚一下就成為了在一定目標(biāo)距離上具有致命殺傷力的高能量區(qū)域。

這件事和我們小時候用放大鏡聚焦太陽光一樣，放大鏡表面溫度很低，但是焦點燙手是一個道理。

不過，先別高興，如果只有這一點，你還沒有真正搞明白激光武器的原理。

在高功率激光器以及特大功率激光器上，雖然我們可以通過擴束的方式降低激光在激光器內(nèi)部傳輸?shù)膯挝幻芏龋羌す馄髯约耗兀?strong>激光器難道不會在擴束前被自己所發(fā)出的激光燒毀嗎？

激光器內(nèi)部（尤其是增益介質(zhì)和諧振腔）必須先承受激光的初始強度。

聽到新名詞了是吧？咱們先說一下激光的原理：

這是一個早期的紅寶石激光器：

結(jié)構(gòu)非常簡單，在一根紅寶石棒兩端精確磨平，其中一端很厚的鍍銀，讓光線可以100%的反射，另一端鍍稍微薄一點的銀，讓光線有90%的反射率，也就是說這一面有10%的光線可以透過。在紅寶石棒的外側(cè)環(huán)繞了一根氙光管（沒錯，就是汽車氙氣大燈相似的東西），這跟氙光管在點亮的時候可以發(fā)出強光。于是，在點亮氙光管的時候，一束激光就從透射端射出來了。

這個結(jié)構(gòu)就是最早期的激光器，它被歸納為原理圖的時候就是這樣的：

中間就是“增益介質(zhì)”，兩片鏡子之間就叫做“諧振腔”，環(huán)繞在紅寶石棒外面的氙光管就叫做“能量泵浦”。

看這個：

子彈在擊發(fā)的時候有可能會出現(xiàn)彈殼承受不了內(nèi)部發(fā)射藥燃?xì)饽芰康氖鹿剩@時候彈殼就破了。

同樣道理，增益介質(zhì)和諧振腔正是激光武器的核心部位。它們必須在高功率運行時承受住自身放大的光子能量。

如果材料透明度不夠、散熱不足、損傷閾值太低，就像劣質(zhì)子彈的彈殼一樣，根本支撐不住能量的沖擊。結(jié)果不是激光打到敵人身上，而是激光先把自己的腔體、窗口片甚至增益棒燒穿。

怎么辦？

實際上在大功率激光武器的設(shè)計中根本不會考慮光核心元件是不是可以挨上一炮。原因也很簡單，因為任何一個激光武器的諧振腔都承受不住那么大的能量沖擊。

在實驗室挑戰(zhàn)極限，諧振腔、晶體、反射鏡承受不住內(nèi)部巨大的能量沖擊的事情很常見。但是在軍事上這件事就甭想了。太嬌貴的武器不符合作戰(zhàn)需求。因此大多數(shù)的軍用激光武器都不會強到把核心元件燒毀的等級，而是會用上“多核心”技術(shù)。

實際上會做成這樣：

用多個激光源匯聚在同一面主鏡上，其實這也不是什么秘密，很多大型高功率光纖激光切割機也是這樣搞的。

通常會把十幾個甚至幾十個激光光源利用光纖匯聚起來，這樣單一發(fā)光模塊的功率可以降低、風(fēng)險和成本都可控，而最終則是1+1=2的效果。

所以，我們能看到的一個景象就是LY-1是一個巨大的車體上安裝了一臺小激光炮，其實車體內(nèi)部會有一個艙室內(nèi)有大量的激光器分擔(dān)輸出功率需求。甚至可以斷言真正的用于打擊目標(biāo)的激光器根本不在那個小小的白色炮塔中。

了解了LY-1的基本信息，那么我們回頭再來看一下于北辰“小放厥詞”的這件事。

首先，于北辰的話不是完全錯誤，而是過于停留在教科書級別的幾何光學(xué)推理。從光學(xué)理論上來說，“光路可逆”確實成立，如果目標(biāo)表面能把激光高效反射回去，那發(fā)射端理論上有可能被反噬。

但問題在于“聚焦”這件事就很扯了。一個激光武器目前都會有目標(biāo)距離探測和校準(zhǔn)機制。通常在選定攻擊目標(biāo)后會裝訂目標(biāo)的運動和距離信息，調(diào)節(jié)主鏡將焦點匯聚在目標(biāo)身上。但是經(jīng)過所謂的光路可逆反射回來的激光本身就被“散焦”了，即使有一部分可以原路返回，其單位面積的毀傷能量也不具備殺傷力。

不過這件事在激光武器發(fā)展的初期，英國人的確還是當(dāng)真的。在上世紀(jì)80年代英國開發(fā)出一系列的利用激光的激光致盲武器。

激光反射回來讓自己的士兵受傷這件事就在英國的設(shè)計中不得不提高到一個課題的程度。

于是他們搞了一個齒輪觀察鏡，和激光發(fā)射器同頻，高速旋轉(zhuǎn)，確保在發(fā)射激光的時候，激光束被護目鏡中的齒輪遮擋。

就這件事，在W君年輕的時候還當(dāng)真過，不過后來琢磨琢磨這不就是借鑒了當(dāng)年測光速的機械結(jié)構(gòu)嗎？

要說啊，菲索轉(zhuǎn)齒輪法測光速都已經(jīng)是1850年代的事情了，到現(xiàn)在已經(jīng)快200年了吧。所以說“于北辰大破LY-1激光炮，此事早在200年前就有解了”并不算過分。

其次，真到了工程實踐上是怎樣的呢？

實際上大多數(shù)激光武器都是高頻脈沖發(fā)射，并不是像很多人想的一樣一開激光炮一束激光持續(xù)照。

這么做的原因在于：在極短的脈沖時間里，激光可以把瞬時能量推到極高水平，換句話說，哪怕平均功率不變，脈沖峰值功率往往能高出幾個數(shù)量級。這使得激光在更短的時間窗口內(nèi)完成能量沉積，大幅提高了毀傷效率。而鏡面材料并不是100%的沒有吸收率，人類所制造的最光滑反射率最高的鏡面莫過于“詹姆斯·韋伯深空望遠(yuǎn)鏡”上那幾片了。

它的反射率可以超過 98% 甚至接近 99%。這已經(jīng)是人類光學(xué)制造的巔峰了。但即便如此，仍然有 1% 左右的能量會被吸收。對于天文觀測，這點吸收完全可以忽略不計；但對于兆瓦級激光武器，即便是1%的吸收率也會在高頻激光脈沖下迅速的被擴大。

任何微小瑕疵都會成為能量匯聚點，在極短時間內(nèi)溫度飆升，材料汽化、形成等離子體，繼而發(fā)生一種典型現(xiàn)象——激光誘導(dǎo)爆炸（Laser-Induced Explosion）。例如上圖，激光照射在鋁靶表面；下方六張快照：分別記錄了在 20~150 納秒量級內(nèi)，材料表面產(chǎn)生的等離子體羽流（plasma plume）快速膨脹過程。

我們可以看到，哪怕只是極短的能量沉積，也足以在鏡面或金屬表面“炸開”一個等離子體泡。而且這個等離子泡是高溫高壓的，一旦產(chǎn)生材料表面就立刻形成微觀破碎和裂紋，迅速劣化反射度。

最終連燒帶爆一片糊爛。

在這個過程中并不在意是不是個鏡面物體。在強大的能量之下一切都是平等的。唯一的差別就只是韋伯深空望遠(yuǎn)鏡級別的表面能多堅持幾毫秒的時間。

但對于軍事上以“干死你”為目的毀傷操作來說，這幾毫秒我們是不在乎的——想起了ETO那句“主不在乎”……哈哈哈