激光武器的想象與現實

圖1：激光武器藝術效果圖（圖片由豆包AI生成）

導讀

2025年九三閱兵中，激光武器驚艷亮相，展現了我國在這一軍事科技領域的最新前沿成果，備受矚目。通過發射一束威力無比的光，瞬間摧毀敵人，這樣一個炫酷的設想其實由來已久，不僅頻繁現身在自媒體短視頻中，還經常成為科幻小說和電影中的精彩元素，也被設定為即時戰略電腦游戲中的虛擬武器，那么大眾想象中的激光武器和現實中的激光武器又有哪些相同和差異呢？

圖2：激光武器的3D打印模型（圖片來源：作者拍攝）

激光武器是21世紀全新的概念？

激光發明于20世紀60年代，但在這之前的很多年，用光作為武器的想法就不斷被提出。

想象一下： 早在公元前2世紀的古希臘，傳說數學家阿基米德曾利用大規模的鏡面陣列，將陽光聚焦于海上的敵軍戰船，通過引燃船體來抵御羅馬人的進攻[1]。

由于年代久遠，這一傳說的真偽已難考證。雖然眾所周知，在烈日下利用放大鏡聚焦陽光點燃紙張完全可行，但若要通過增加鏡面數量和面積來點燃一艘戰艦，其可行性究竟如何？

美國著名科普節目《流言終結者》曾多次嘗試復現這一實驗，大多以失敗告終。2006年，節目組與麻省理工學院（MIT）團隊合作再次發起挑戰，雖勉強取得成功，但條件極其苛刻：需要烈日當空的完美天氣、數百面反射鏡協同工作、且目標木船必須在近距離內保持靜止數分鐘。即便如此，最終也僅致船體局部冒煙起火，并未造成大面積燒毀。由此可見，傳說中阿基米德的戰術在實戰中的可行性并不高。

在二戰前，英國空軍曾懸賞100英鎊，希望有人可以制造并演示利用“射線武器”殺死百米之外的一只羊，但同樣難以實現[1]。真正讓光武器變成一個靠譜的想法，還是要依靠激光的這項偉大發明。如果把一束光中的每個光子看作一位士兵，普通的陽光和燈光是由松散的士兵雜亂無章聚集在一起，而激光則是整整齊齊排列，邁著統一步伐前進的士兵隊列，具有普通光所不具備的極高亮度，將能量緊密聚焦在單一的方向上，這源于激光的生成方式——受激輻射。

激光發射器中包含特定的增益介質（氣體、液體、固體等不同類型），吸收輸入的能量被激發后，使得其中大量原子處于高能級，當其中一個原子躍遷到低能級，可以釋放出一個特定波長的光子，光子在諧振腔中來回振蕩（比如兩面反射鏡之間來回反射），激發其他原子也從高能級躍遷到低能級，釋放出更多完全相同的光子，隨著光子數量的指數級增長，它們共同組成一束能量越來越強，方向性越來越好的激光束，最終發射出去。1960年世界上首臺激光器在美國誕生后，激光武器在最近幾十年也得到了飛速發展，被認為有望改變未來戰爭游戲規則。美國科普作家杰夫·赫克特（Jeff Hecht）所創作的《激光武器：從科幻走進現實》一書[1]，就生動翔實地介紹了激光武器在最近幾十年的發展歷史。

圖3 ：《激光武器：從科幻走進現實》一書（圖片來源：作者拍攝）

現代激光武器的發展

近年來，世界各國加快了對激光武器研發的步伐。美國陸軍部署的“定向能機動近程防空系統”采用50千瓦級光纖激光器，集成在裝甲車上，可用于擊落無人機。德國萊茵金屬公司研發的50千瓦級激光防空系統，曾在15秒內連續擊落5架無人機。沙特部署的“寂靜狩獵”激光武器系統則創下單日攔截13架無人機的紀錄。以色列“鐵束”系統采用100千瓦級光纖激光器，有效射程達10千米。英國“龍火”激光武器系統在2024年初的測試中，成功摧毀了3.2千米外的無人機目標。此外，韓國、俄羅斯、日本、法國、印度等國也都在將激光武器納入防御體系中[2]。

激光武器可以讓一個龐然大物化為灰燼？

最近幾十年世界各國軍方開發的激光武器，真的可以實現這樣的效果嗎？

首先，激光武器殺傷力在于將很高的能量集中在很小的面積上，單位面積的能量密度極其高。作為分母，照射到目標表面的激光光斑直徑大小通常只有幾厘米至一二十厘米；作為分子，照射激光的功率自然要足夠大，外加激光長距離傳輸的巨大能量損耗，激光武器所需的發射功率需要達到幾十到幾百千瓦的量級。作為對比，平常使用的幻燈片翻頁筆的激光器功率只有幾毫瓦。

不同功率的激光器制造難度也大不相同，高功率激光器所需的體積和重量往往非常大。在二十世紀六七十年代，美國軍方曾選擇使用二氧化碳氣體激光器和化學氧碘激光器，利用流動的氣體作為增益介質，在巨大的諧振腔中產生激光。為了達到武器級別的功率，能量守恒定律決定了需要輸送給激光器足夠的能量，不可避免地會消耗大量燃料，還要考慮到很大一部分輸入能量沒有轉化為光能而是以熱量散發，散熱管道系統必不可少，整套激光器系統極其龐大笨重，甚至需要一整架波音747客機來裝載，“激光器占據了駕駛員后面1/3的機艙空間，電源和燃料又占據了1/3的艙內空間，剩下1/3是老式計算機和控制系統”[1]。

后來新型光纖激光器的出現[3,4]，有助于顯著降低激光武器的體積和重量。光纖激光器利用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質，由通電的激光二極管提供泵浦光，可以通過電力替代化學燃料驅動。由于每根光纖柔軟可卷曲，激光可以在較小空間內來回傳輸很長距離，而且因為表面積和體積的比例較大，冷卻散熱也更方便，并且還可以將多個光纖激光器模塊集成為輸出功率大、光束質量高的單個激光器。

盡管研究者不斷嘗試將激光武器變得越來越小型化，例如2009年IPG 公司推出的10 千瓦光纖激光器，外形尺寸1.5m×1.5m×0.8m，大小如兩臺電冰箱[1]。但現實中的激光武器大多數時候還是裝載在重型卡車，裝甲車，運輸機和軍艦上，而不是以放在背包或手提箱中那樣簡易攜帶的形式。

圖4：裝載于一輛卡車上的反無人機激光武器[3]

因此現實中的激光武器往往自身是個龐然大物，然而攻擊的目標卻是像無人機這樣的小型物體，難以一下子摧毀大型目標，能做的只是在上面燒出一個洞，難以達到瞬間徹底毀滅的效果。

如果利用激光武器防御大型目標，由于只能毀壞上面的一小塊區域，就需要“打蛇打七寸”擊中要害，才能完成攔截任務。比如激光武器若用于防御彈道導彈，激光束需要專門針對導彈燃料箱或光電導航系統這樣的薄弱部位來攻擊。2015年，美國洛克希德·馬丁公司研制的“雅典娜（ATHENA）”激光武器系統被用于測試攻擊一輛1.6公里以外的小型卡車，雖然無法讓整輛車化為灰燼，但可以射穿汽車引擎蓋并摧毀汽車發動機系統，使這輛車癱瘓，外表看起來車身上被燒出了一個大洞[1]。

激光武器要發揮最佳的作用，需要尋找到合適的“剛需”應用場景，近年來小型無人機在戰爭中的廣泛使用，使得激光武器有了用武之地，得到了迅速發展。當然廣義的激光武器包含更多類型，不一定以擊毀敵方為目標，比如為常規武器提供激光瞄準的輔助功能，或者僅僅是將敵方士兵眼睛或光電傳感器致盲，此時所需的功率就沒有以上提到那么高的量級了。

激光武器可以光速發動襲擊？

光在空氣中的傳播速度接近30萬公里每秒，可以在幾乎瞬間精準地照射到目標位置，這一點讓導彈和炮彈等常規武器望塵莫及，它們無論飛得多快，也遠遠達不到這樣的速度，這也是激光武器的優勢之一。

然而，并不能說激光武器在任何方面都更快。一枚導彈經過千辛萬苦的漫漫征途，到達目標附近之后，攜帶的彈藥發生爆炸，可以在極短時間內產生殺傷。但激光束照射到目標（比如無人機）表面后，會發生復雜的物理化學反應，包括加熱、升溫、膨脹、熔融、汽化、擊穿、飛散、噴濺、破裂、剝落、熱爆炸等，使得目標的材料特性和結構狀態發生變化，通過被照射區域吸收能量的積累，逐漸升高溫度而產生熱毀傷，這常常需要幾秒甚至更長的時間，殺傷并不是在瞬間立刻完成的[5]。激光武器發出的光束需要聚焦在目標物體上的某個位置，并持續一小段時間，如果目標是快速移動的，比如像飛行的無人機，那么激光束也需要跟著目標移動。

在現實中，當激光武器和目標相互快速移動時，通過目標智能識別與追蹤定位和光束調控等方式，激光武器依然還是可以工作的。

此外，導彈等武器可以通過特定曲線運動軌跡，發動出其不意的攻擊，激光光束則通常“直來直去”，沒有那么靈活，也可以看作激光武器的一個劣勢。

而激光武器的一個優勢是成本低廉，在戰爭中，面對火箭彈和小型無人機這樣低成本的目標，如果動輒使用昂貴的導彈攻擊攔截，會在經濟上嚴重虧本。據估算，一枚導彈的成本可以超過10萬美元，而激光武器發射一次的成本可以在10美元以下[3]。而且激光武器不是一次性的，只要供給激光器的電量沒有耗盡，激光武器可以一次又一次地開火，反復發射。

激光武器要選個好天氣使用？

激光武器對于傳輸介質有很大的依賴，當天氣惡劣，比如遇到雨雪，云霧，塵埃的時候，激光武器的威力確實會大打折扣[6]。例如在一項模擬仿真研究[7]中，在天氣良好，能見度達到10～20 km情況下，激光武器對無人機蜂群的有效毀傷距離為1547米；在天氣中等，能見度為4～10 km情況下，激光武器對無人機蜂群的有效毀傷距離就斷崖式下降為1160米；如果天氣更惡劣，有效毀傷距離還會進一步變短。當然以上數值僅僅是這一特定仿真模型在特定參數設置下的結果，未必與實際完全相符，不過天氣情況對于激光武器攻擊距離的顯著影響還是可見一斑。為了讓激光武器更好地發揮威力，有必要選個晴空萬里的好天氣。

但即使在這樣的好天氣里，激光光束在空氣中傳輸時，也不可避免地有相當比例能量“出師未捷身先死”，消耗在半路，最終到達目標的激光能量只是發射能量的一部分。首先空氣中的氣體分子（如水蒸氣和二氧化碳）和氣溶膠顆粒會吸收一部分激光的能量，還會使得激光朝四面八方散射而損耗。其次，大氣湍流使得折射率起起伏伏，分布不均，也會阻礙激光束奔向目標，使其來回搖擺。此外，激光束向前傳播時，會將穿過的空氣加熱升溫，膨脹的熱空氣密度低，折射率變低，而周圍冷空氣折射率較高。如果參照光纖的工作原理，光纖內部纖芯為高折射率介質（光傳播速度更慢），外部包層為低折射率介質（光傳播速度更快），光會趨向于從低折射率介質偏折回高折射率介質，這樣的三明治或者夾心巧克力餅干結構，可以把光信號困在纖芯不外逸，應用于光通信領域。而激光束卻面臨著與光纖相反的作用，內部的光束趨向于往四周偏折，加劇了光束的發散，使得光束難以集中會聚能量，稱為“熱暈效應”[6]。

圖5：光在光纖中的傳播（上）與激光武器的激光束在空氣中傳播產生的“熱暈效應”（下）：前者使光的能量保持在纖芯內，后者相反作用促使光束更加向四周發散（圖片來源：作者繪制）

為了提升能耗效率和攻擊距離，激光武器發射端通過自適應光學器件和相控陣等技術，優化發射的激光束波形，以預先補償抵消這些干擾。

太空與水下環境

想象一下：經典科幻電影《星球大戰》里，太空中雙方宇宙飛船之間使用激光武器對戰時，空中一束束亮光來回飛舞。這個片段一直以來被“死理性派”所吐槽，因為即使所使用的激光波長屬于可見光波段，由于太空真空環境中，幾乎沒有粒子的散射，“明亮的光束”也不可能被看到。在地表空氣中，煙霧塵埃等各種微粒聚集，它們的散射作用才會讓一束激光從側面真的被明顯看到。這個例子同時也說明，太空是激光傳輸的一個比較理想的介質，作為接近真空的環境，幾乎不會受到散射等效應干擾，激光武器可以“盡情發揮”。在二十世紀八十年代冷戰期間，美國政府實施了與這部電影同名的“星球大戰”計劃，也曾經認真考慮過怎樣將激光武器搬上太空，用于未來的軍事戰爭。

圖6：想象中在太空中使用激光武器對戰的場景（不過從側面可以看到一道明亮的激光束，在科學上是不合理的）（圖片來源：Light科普坊/veer）

而相比于空氣，一個更加惡劣的傳輸介質就是水下了，激光武器幾乎毫無發揮的空間。在《三體》《流浪地球》《獨行月球》等影視作品出現的四十多年前，曾有一部早期國產科幻電影《珊瑚島上的死光》，片中一位博士利用發明的激光武器，發射出激光束在水下擊毀了敵人的潛艇。從科學角度來說，這并不是一個好想法，激光束在水下會遭遇比空氣中嚴重得多的吸收和散射，能量會很快衰減，難以用于攻擊對方。

長距離發射激光束還可以用于做什么？

既然激光束可以遠距離攜帶大量能量，除了用于擊毀無人機，如果把功率調節到適當大小，給無人機提供能源也是個不錯的想法[8]。目前無人機攜帶的電池往往電量有限，導致續航時間短，用激光束進行無線充電有望幫助解決這個難題，當地面發射的激光束照射到無人機表面時，無人機所攜帶的光伏電池板可以將光能轉換為電能。

激光束除了可以用于傳遞能量，還可以用于傳遞信息。不同的是，進行通信時，不需要像激光武器那樣高的功率，接收端只需要接收到微弱的光信號，也有可能解碼還原出發送的信息。不僅無人機和地面之間可以使用激光通信[9]，距離更遙遠的衛星與衛星之間，衛星與地面之間，也可以使用激光通信，有望應用于下一代6G通信的空天地海一體化網絡。即使在很不利于激光傳播的水下環境中，已可以實現超過100米的激光通信。

結語

現實中的激光武器或許沒有想象中的那樣所向披靡，相比于傳統武器也并不是降維打擊和碾壓式的存在，但激光武器具有光速到達目標，精度高，成本低等獨特優勢，在對付無人機這樣的特定用途中可以大顯身手，但也面臨著激光強度在傳播中不斷衰減，能量聚焦面積小，擊毀目標需持續時間，受天氣條件制約，能量轉化效率低，重量和體積大等挑戰。

相關文獻

[1]激光武器：從科幻走進現實，[美]杰夫·赫克特（Jeff Hecht）著，國防工業出版社 (2023)

[2]激光武器——“光之利刃”走向戰場，中國軍網-解放軍報，http://www.81.cn/yw_208727/16396373.html

[3]A. Extance, Laser weapons get real: long a staple of science fiction, laser weapons are edging closer to the battlefield--thanks to optical fibres, Nature, 521(7553): 408-411 (2015).

[4]任國光，伊煒偉，屈長虹，高功率光纖激光器及其在戰術激光武器中的應用，激光與紅外，45(10): 1145-1151 (2015)

[5]周德元，李杰，李立功，反無人激光武器毀傷效能研究，激光與紅外，55(4): 546-553 (2025)

[6]何奇毅，宗思光，大氣對艦載激光武器效能影響的研究，指揮控制與仿真，41 (2): 57-60

來源：中國光學

編輯：冰糕

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