高能激光武器關鍵技術分析

為了在未來戰爭中繼續保持先進裝備武器的優勢地位，實現美國顛覆性創新制衡目標，美國防部大力支持激光武器發展，并積極推動其走向實戰化。近年來，固體激光技術快速發展，以光纖體制結構破壞帶外干擾器件損傷為代表的戰術激光武器在系統小型化和功率實用化方面有了顯著提高。隨著發射功率逐步由數萬瓦量級提升至幾十萬瓦量級，戰術激光武器的作戰效能也由目標光電傳感器干擾損傷向目標殼體結構破壞摧毀的方向發展，未來在光電對抗作戰領域將更具戰術應用潛力。

引 言

高能激光武器利用高功率激光的熱效應、光電效應和熱力耦合等效應直接使目標失效甚至毀傷， 具有快速響應、打擊精準、彈藥成本低廉、戰場保障簡單和作戰隱蔽不易追溯等優點，可以在諸如要地 防御、導彈攔截、衛星對抗和蜂群對抗等現代局部作戰場景中發揮獨特作用，逐漸成為可適應未來信息化高技術戰爭的主戰武器之一。不同功率級別激光武器的作戰效能如圖1所示。

1 美國高能激光武器發展歷程

美國的高能激光武器圍繞戰略及戰術等不同層次的作戰需求，基本遵循由低功率到高功率，由軟殺傷向硬摧毀的方向發展。沿著偏重戰略應用→彈道導彈防御→偏重戰術應用→戰術硬摧毀的作戰應用路線進行研發規劃。

1.1 美國高能激光武器戰略應用階段

美蘇冷戰時期，為摧毀敵方衛星和彈道導彈而致力于研發天基激光武器和地基激光武器，能夠遠距離摧毀目標，實施反衛計劃。激光武器體制以化學激光器為主，體積較為龐大。自1977 年起，美國一直在努力研發天基激光武器，內容涵蓋了總體概念、關鍵技術以及子系統的工程化集成等。當時美空軍資助了天基激光武器的研制工作。美國國防高級計劃局（DARPA）也陸續實施旨在驗證天基激光武器可行性的“三位一體”技術計劃，即“阿爾法”、“大型光學演示實驗”與 “金爪”?！鞍柗ā奔す馄髟囼炘O備如圖2 所示。

1989年對“阿爾法”進行首次出光試驗，驗證百萬瓦級柱型氟化氫化學激光器軌道飛行的技術可行性，截至1994 年8月已出光10次以上。1989 年在“大型光學演示實驗”中，制造了直徑的多面組合反射鏡；1993 年攻克了制造直徑11m反射鏡的關鍵技術。制成直徑4m、主動控制的多面組合反射鏡，可按比例直接放大到實戰所需的直徑8m反射鏡。

盡管有關天基激光武器的研究仍在進行，但由于相關技術與成本耗費等方面問題導致部署遙遙無期，使得美軍開始逐步將研究重點由在軌激光轉向小型激光武器。2002年10月，美國國防部宣布撤消天基激光綜合飛行實驗計劃辦公室，將天基激光武器計劃從大型的實驗演示計劃收縮成小規模的技術發展計劃，并且不再計劃后續的空間實驗。

1.2 美國高能激光武器彈道導彈防御階段

蘇聯解體，美國面臨的威脅變為地區性局部沖突，因此美軍激光武器轉為向彈道導彈攔截和戰術 導彈摧毀方向發展，積極開展以機載激光器（ABL）和先進戰術激光器（ATL）為代表的機載激光武器項目。機載激光武器系統結構如圖3所示。

氧碘化學激光器首先被美國用于ABL計劃，該系統是美國空軍主持的一項硬殺傷激光武器研制計劃。目標是將高能化學氧碘激光武器安裝在 大型寬體客機波音飛機上，從12000m高空攔截25km以外的處于助推段的洲際或彈道導彈。同時，美軍也考慮利用氧碘化學激光器發展以大型運輸機、傾轉旋翼飛機和運輸直升機等機載平臺的ATL 計劃，目標是用于擊落巡航導彈和掠海飛行的導彈。但是由于演示驗證效果與預期相差較大，激光在大氣傳輸過程中，大氣湍流和熱暈等問題沒能得到有效解決，而且部署費用極為高昂，最終ABL和ATL項目都被取消。目前氧碘化學激光器技術的研究重點是提高效率和輕型化設計，以便減輕系統重量和改進作戰適用性。

1.3 美國高能激光武器戰術應用階段

“9· 11”事件后，美國將恐怖襲擊列為國內首要威脅。為積極應對來自單兵防空武器、火箭彈、小型飛行器和自爆炸裝置物等威脅，美軍開始致力于以固體激光器為主，更具機動靈活性的戰 術武器的研發，具有遠距離干擾和一定近距離的毀傷能力。美軍激光武器發展逐步由偏重戰略定位轉入偏重戰術應用。最初投入巨資使用兆瓦級的化學激光器摧毀導彈或照射衛星目標，之后采用幾十千瓦級的固體激光器摧毀無人機、火箭彈和小船等目標。美軍激光武器的打擊目標已由以往的戰略目標轉為小型的戰術目標，這表明激光武器定位已發生重大變化。美軍基于應對戰術導彈、蜂群無人機以及太空威脅等作戰應用需求，致力于發展不同功率級別的高能激光武器。

2017年10月，美國成立定向能轉化辦公室，重點推進激光武器等裝備轉化工作。美軍認為現階段激光武器的基礎理論研究工作已經基本完成，未來的研發重點主要是兩大方向：

轉向實用化，重點推進功率水平100kW級激光武器的戰術應用轉化工作，解決小型化、實用化問題，實現近距離毀傷，遠距離光電干擾能力。

繼續推動高能高效激光器的研制，現有100kW級激光器難以滿足遠距離毀傷的使用需求，需進一步研制高能高效激光器。

1.4 美國高能激光武器戰術硬摧毀階段

隨著戰略重心向亞太地區轉移，為了提高遠海作戰能力和海外基地的防御能力，應對潛在的反艦導彈和大型作戰無人機的威脅，美國大力發展艦載和無人機搭載的激光武器，進一步研發緊湊型百千瓦量級的光纖體制固體激光武器，在對光電偵察設備干擾/毀傷基礎上，實現對巡航導彈、無人機和無人艇等的近距摧毀。圖4為美國重新調整高能激光武器發展路線示意圖。

圖4 美國重新調整高能激光武器發展路線

美軍未來將把數十千瓦量級的激光武器用于對抗火箭彈、迫擊炮彈及蜂群無人機等目標，用作移動平臺末端防護；將上百千瓦量級的激光武器用作重要目標的區域防御或者要地防空；將兆瓦量級的激光武器用作彈道導彈防御，如天基助推階段攔截或中程防御等。2019年，美國國防部研究與工程副部長辦公室發布激光擴展計劃信息需求。目標是提高高能激光武器的激光功率和轉換效率，減小其重量和體積。2022財年演示驗證的高能激光武器功率水平達到 300 kW，2024財年演示驗證功率達到500kW，再過幾年后功率達到1MW。發展路線是首先側重于在陸地/水面平臺的尺寸/重量范圍內提升高能激光功率，然后將重點轉向在空中/太空平臺范圍內降低尺寸與重量，并提高效能。

2 高能激光武器關鍵技術分析

2.1 激光器技術

（1）化學激光器

化學激光器將化學鍵中儲藏的能量轉化成為激光輸出，激活介質的粒子數反轉是通過釋能化學反應過程實現。由于化學激光器的增益介質一般為氣體或氣流，通常也把化學激光器歸類為特殊的氣體激光器。目前，化學激光武器是兆瓦量級功率以上作戰應用的最佳選擇。其中，氟化氫/氟化氘化學激光器的輸出波長為2.7μm/3.8μm，化學氧碘激光器的輸出波長為1.315μm。圖5為美國化學氧碘激光器增益模塊。

化學激光器優點是兆瓦級功率輸出，輸出光束 質量好，技術成熟度高。缺點是體積和重量較大，需進行廢氣處理

未來化學激光器的發展將針對體積和重量龐大的缺點，攻克化學激光器的緊湊化技術，減小激光器的重量和體積，提高激光器的平臺適裝性。

（2）高能固體激光器

固體激光器通?？梢苑譃榘魻罴す馄?、板條激 光器、熱容激光器、液冷激光器和薄片激光器等。其中，棒狀激光器具有較大的增益體積，有助于實現功率放大和大脈沖能量的產生，但光束質量較差；液冷激光器利用冷卻液的強散熱能力實現高功率輸出，但難以克服流體對激光性能的劣化影響；

熱容激光器可以實現高功率輸出，但光束質量隨激光輸出時間增加迅速退化，難以滿足長時間的作戰需求；板條激光器和薄片激光器的技術成熟度較高，是當前國際上固體激光武器的主要技術路線。板條激光器的板狀結構和“Z”字光路設計，均化溫度梯度，多鏈路板條激光器經光束合成后可實現數百千瓦級功率輸出。

高能固體激光器優點是全電工作，戰場保障簡單，作戰效費比高。缺點是大功率輸出時熱管理較難，難以維持高光束質量。圖6為美國諾斯羅普·格魯曼公司板條激光器結構。

圖6 美國諾斯羅普·格魯曼公司板條激光器結構

（3）高能光纖激光器

高能光纖激光器以摻稀土元素的光纖材料為增益介質，通過振蕩器或級聯放大結構獲得高功率激光輸出。目前，高能光纖激光器的電光效率可達35%以上。由于轉換效率高，產生的廢熱較少，對冷卻要求較低，因此，光纖激光器的結構更加緊湊，重量體積相對較小，環境適應性更強。高能光纖激光器優點是熱管理相對簡單、電光效率高、單纖光束質量好、戰場環境適應性強，適合裝載于各種戰術移動平臺。缺點是由于非線性效應、模式不穩定性等效應的限制，單纖近衍射極限輸出功率存在物理極限，光束合成是高功率光纖激光系統的必由之路。

（4）高光束質量半導體激光器

高光束質量半導體激光器特指可以通過合束方式將大量獨立的半導體激光器合成一束高能激光的裝置，且具有較好的光束質量。獲得高光束質量半導體激光輸出的最有效途徑是外腔反饋光譜合束，目前輸出功率已經達到千瓦量級，但光束質量仍有較大提升空間。半導體激光器優點是電光轉換效率高、體積重量小。缺點是單管功率提升困難，合成路數受限，激光波長并不都處于大氣的高透窗口。

（5）堿金屬蒸氣激光器

堿金屬蒸氣激光器利用高功率半導體泵浦具有高量子效率和大發射截面的堿金屬原子蒸氣實現高功率的近紅外激光輸出，通過循環氣體流動散熱實現高效熱管理。目前，激光器常見的堿金屬工作介質為銣（795nm）或銫（894nm）。堿金屬蒸氣激光器兼具了固體和氣體激光器的優勢，逐漸成為激光武器新的選擇。堿金屬蒸氣激光器優點是全電模式工作，具備單口徑功率定標放大能力，兼具固體和氣體激光器的優勢。缺點是堿金屬元素化學性質極其活潑，易對腔體腐蝕，高腔壓運轉模式破壞光束質量。

2.2 大氣傳輸補償技術

高能激光在大氣傳輸的過程中，會與大氣中的 氣體分子相互作用，發生諸如大氣吸收、大氣散射、湍流和熱暈等線性或非線性效應，導致激光功率損 失和光斑的漂移、抖動甚至畸變，從而降低到靶激 光功率密度和光斑的穩定性。大氣吸收對激光傳 輸產生兩方面影響，一方面會直接削弱激光能量， 另一方面會加熱大氣分子，導致熱暈等非線性效 應。大氣散射是激光與大氣分子或氣溶膠等粒子 相互作用，使激光在各個方向重新分布，造成能量 的衰減。湍流是由大氣無規則隨機運動引起，其內 部溫度起伏導致大氣折射率隨機分布，造成激光隨 機漂移、強度起伏和光斑擴散。

目前利用自適應光學技術可有效對大氣的湍流和熱暈等非線性效應造成的波前畸變進行部分相位補償和校正，改善激光光斑分布。自適應光學是實時校正光學擾動的技術，通常由波前傳感器、重構器、控制器、傾斜鏡和變形鏡等組成（綠線為信標光），如圖7所示。

圖7 自適應光學系統組成

信標光來自對目標的反射光，通過波前傳感器獲取信標光中的波前畸變信息，經由重構器和控制器轉變為變形鏡和傾斜鏡的驅動控制信號，利用變形鏡和傾斜鏡實現對波前畸變的補償校正。

2.3 激光合束輸出技術

（1）孔徑拼接合束輸出技術

通常采用最為直接的空間合束方式，將多路子光束通過空間排布直接拼接成大光束孔徑，實現多束激光的功率到靶合成。如圖8所示。

圖8 美軍激光武器的孔徑拼接合束示意

該合束技術方式的優點就是拼接方式簡單，易于獨立控制每路激光的出射方向，不足之處是由于大氣的作用使每路到靶激光的光斑存在抖動和漂移的問題，致使合成功率密度較低。

（2）相干合束輸出技術

通過自適應光學技術對多路激光進行相位控制和傾斜控制，實現每路激光在目標處的相干合成。如圖9 所示。

圖9 相干合束示意圖

該技術方式的優點是通過補償校正使得到達目標處的光斑較為均勻，在光斑內可以形成多個強 點，較好的提升毀傷能力，不足之處是技術實現較 為復雜，大氣的傳輸作用會導致激光相干性變差，影響合束效果。

（3）光譜合束輸出技術

通過激光逆色散原理將多只波長臨近的激光進行光譜合束，利用單光柵或者雙光柵可以實現接近衍射極限的激光合束輸出，提升激光亮度，而且可以增加合束的路數，不影響光束質量，不足之處是對激光器的線寬要求高，光譜帶寬對光束質量影響大。如圖10所示。

圖10雙光柵合束示意圖

（4）脈沖/連續激光復合輸出技術

目前，高能激光武器的技術路線普遍采用連續激光照射模式，因此對目標毀傷的作用機制主要有光電效應、熱效應和熱力耦合效應等三種。

光電效應，通常是作用于目標的光電探測系統，強激光經由光電探測器的光學系統聚焦作用， 直接使到靶功率密度超過探測器正常工作區間，探 測器被強激光干擾或者致盲。

熱效應，激光能量被目標本體材料吸收導致溫度快速上升，經過短時間熱積累作用超過目標熔點，使目標融化或者燒蝕，如果作用目標是導彈的戰斗部，則可能引爆內部炸藥。

熱力耦合效應，在材料的溫升尚未達到熔點時，激光輻照使得材料力學性質發生改變，內外存在較 大壓差，而被激光輻照的區域就會成為壓力釋放區， 內部物質從該區域釋放出來，造成目標的解體。

連續激光照射模式需要對打擊目標的特定區域進行一定時間的激光累積，但是對于快速移動目標來說，累積作用時間長，在目標表面快速空氣流體的作用下加熱速度緩慢，不易造成損傷。而連續和脈沖激光復合作用能夠獲得更好的毀傷效果，連續激光可以起到預加熱作用，降低目標表面材料的破壞閾值，脈沖激光在連續激光的基礎上疊加更高功率密度的激光，產生巨大的熱力學效應，在短時間內對目標造成更深的損傷。

3 美國高能激光武器發展現狀

3.1 美國艦載激光武器發展現狀

（1）探索多種激光器體制

為了加快激光武器的上艦部署，解決艦船對抗無人機的迫切需求，美國海軍采用了多種激光器體制并行的發展思路，光纖和板條激光器是研發主流[14]。以美海軍的“高能激光與集成光學致眩監視”（HELIOS）和 150 kW“ 激光武器演示系統”（LWSD）為代表。

HELIOS系統，采用了窄線寬光纖和光譜合成的技術體制。系統由60 千瓦量級的光纖激光器（未來可升級至150 千瓦量級）、光束控制系統、目標指示器、遠程情報監視偵察系統（ISR）、反無人機偵察光學跟蹤器和致眩器、熱管理系統、電源模塊和控制系統等設備組成，將于2025 年前完成艦隊的演示驗證測試。圖 11 為美國海軍HELIOS 系統作戰假想圖。

LWSD項目中，采用了板條體制，板條單鏈路輸出激光15kW，7路相干合成實現105kW激光輸出。2019年在“波特蘭”號（LPD-27）上進行了海面上的驗證測試，評估在不同大氣環境和海況下的參數性能，后續將開發100~150kW的艦載激光武器，可對抗小型船只和小型無人機。

（2）多功率級別滿足遠干近毀實戰需求

美海軍開展多個不同功率級別的激光武器項目，以滿足艦船遠干近毀的實戰需求。一方面，研制低功率的“奧丁”系統，用于致眩對方武器平臺的光電傳感器，以應對目前緊迫的無人機威脅。圖12 為美海軍“奧丁”系統。另一方面，研發高功率系統，裝備不同級別的水面艦船，以期直接擊落對方無人機。

“奧丁”作為一種低功率激光武器，通過向敵方光電和紅外傳感器發射調制“眩目”激光束，讓其“失明”，有效對抗各種帶有光電/紅外傳感器的艦艇、飛行器以及巡航導彈，將補充海軍主要戰艦上現有的主動和被動自衛武器組合。此外，美國海軍還準備將激光眩目器和高能殺傷激光器結合起來， 這樣可以起到更高效的攔截作用。多個激光眩光器和激光武器配合，分散布置在同一艘艦船上，以對抗多個目標。

3.2 美國機載激光武器發展現狀

（1）發展緊湊型機載激光武器

由于機載平臺對激光武器的體積、重量和功率要求更高，機載激光武器目前尚處于技術體制確定、關鍵技術攻關研究和系統集成試驗階段。因此，美國空軍實驗室授予諾斯羅普·格魯曼公司開展研究搭載在戰斗機上的激光武器系統，即“自衛高能激光器演示樣機”（SHiELD）項目，以期為機載激光武器的未來發展提供啟示和借鑒。圖 13 為SHiELD 激光吊艙原理樣機。

SHiELD項目重點研發適用于機載平臺掛載及耗能約束條件的緊湊型機載激光武器系統。創新激光設計、制造技術和操作方法，采用在小型化、輕量化、大功率輸出和高光束質量等方面都具有優勢的光纖體制激光器，在高性能戰術飛機的緊張飛行條件下，最大程度的降低光束質量的下 降。此外，研發具有敏捷性、緊湊性、大口徑和適應飛行環境的光束定向器，將多個靈活的光纖激光器進行功率合成，以滿足自衛防御、進攻性激光武器所需的高功率要求。

（2）由單一平臺向多種空中平臺適配

機載激光武器不局限于戰斗機上的應用，所有 在作戰區域或附近作戰的軍用飛機都可以配備激 光武器，從而免受導彈的攻擊，尤其是大型、不易機 動的飛機，如 AC- 130 炮艇機、C- 130J 等運輸機、KC-135 等空中加油機，E-3哨兵預警機以及小型戰術飛機。將激光武器系統與不同飛機平臺集成，滿足不同平臺對激光武器的使用需求，搭載可適配不同機型的子系統模塊，演示驗證中展示在空—空導彈和地—空導彈威脅下的自衛能力，最終形成具備攻防兼備多種作戰能力，適合不同平臺的激光武器系統。

3.3 美國車載激光武器發展現狀

（1）構建保護前沿機動部隊的機動近程防空系統

美陸軍大力開展高能激光戰術車輛項目的研發工作，將更大功率的激光器裝備于輕型，高速的 機動車輛，為地面移動平臺提供近距離空中支援， 起到被動和主動防御的作用[17]。以美陸軍移動遠征 高能激光系統（MEHEL）項目為代表，由波音公司與通用動力公司聯合研發，將高功率光纖體制的激光武器裝備于八輪驅動，以“斯瑞克”為底盤的機動式裝甲車內，專門為美陸軍在歐洲對抗俄軍固定翼戰機、攻擊型直升機、小型無人機和迫擊炮等威脅而打造。

MEHEL的高能激光武器系統集成了光纖激光器、光束定向器、Ku波段雷達和激光輔助單元等子系統，將多路光纖激光合束，根據作戰需要增減光纖激光器的數量。系統不僅能夠對無人機進行摧毀，實現硬殺傷，還能利用電子戰能力切斷無人機與控制站之間的通信鏈，對無人機實現“軟殺傷”。MEHEL 在美國福特·希爾陸軍基地舉行的機動火力綜合實驗中，利用 5 kW 的高能激光束持續照射10~15s，將多架10公斤級的小型無人機擊毀，驗證了系統的綜合作戰能力。圖 14 為高能激光系統機動型演示樣機（HEL MD）。

（2）提升陸基短程防空能力

無人機和遠程火箭彈等在局部戰爭和地區沖突中被大規模應用于戰場，而早期的“ 愛國者”和“ 毒刺”防空導彈攔截效果并不理想，且成本太高。新威脅促使美陸軍重新審視其防空體系，致 力于采取多種舉措提升其短程防空能力。陸基激 光武器能夠滿足美陸軍應對火箭彈、火炮、迫擊炮 以及無人機威脅的要求，且單發成本大大低于傳 統武器，無發射次數限制，使其非常適合對抗成本動輒幾百，甚至幾千美元的小型無人機、簡易火箭彈和炮彈等。美國研制的300kW激光戰車，使用了“ 型擴展機動戰術卡車”底盤，不僅能夠攔截無人機，還能攔截巡航導彈，該系統將在2022年8月份展開測試。

高能激光系統機動型演示樣機（HELMD）成為美國陸軍研制和演示的首個用于反火箭彈、炮彈和迫擊炮彈的機動型高能激光器系統，早期研究采用了10kW級的激光武器。此后，在10kW激光武器的研究基礎上，持續縮小激光器體積，逐步提升功率至100～120kW量級，逐漸升級電力系統，在增強射擊威力與延長射擊時間的同時，克服霧、風、雨等不利天氣條件的影響，實現機動短程防空能力。

3.4 美國導彈防御局激光武器發展現狀

美國導彈防御局多年來一直在積極擴大彈道導彈防御領域的優勢，但在彈道導彈助推段一直缺 乏有效的攔截手段。盡管曾經考慮過使用天基激光武器實現反導防御作戰的目標，但由于相關技術 與成本耗費等方面的問題導致部署遙遙無期，使得 導彈防御局開始逐步調整技術路線。起初由天基 平臺轉向“大飛機平臺加化學激光器”，由于ABL和ATL為代表的機載激光武器項目并沒有獲得理想的作戰效果，因而再次調整路線，目前逐漸調整為“無人機平臺加固體激光器”。圖15為無人機載激光武器模型圖。

以低功率激光器演示樣機（LPLD）項目為代表，開展將100kW量級以內的激光束遠距離長時間穩定瞄準并駐留于目標的技術研究，并將其作為助推階段攔截導彈威脅的最佳解決方案。

4美國高能激光武器趨勢展望

激光武器將成為大國戰略制衡，改變戰爭樣式的重要手段，目前已呈現快速發展態勢，逐步邁向實戰化，為未來作戰人員提供新的作戰能力。美軍未來將把數十千瓦量級的激光武器用于移動平臺的末端防護，將上百千瓦量級的激光武器用作重要目標的區域防御或者要地防空。

目前激光器的水平決定了激光武器的水平，未來多種技術體制并行發展將成為常態，以堿金屬激光器為代表的新技術體制也將不斷涌現，未來實現兆瓦量級激光器仍然挑戰巨大。綜合美軍高能激光 武器發展歷程可以看出，大多數激光武器研究計劃均因為不能滿足作戰需求而下馬，主要影響作戰應用的因素包括作戰距離（到達目標的激光功率密度 與傳輸距離的平方成反比）、戰場環境（大氣、云、雨、霧，煙塵等）和響應時間（從接收指令到發射激光）等，因此未來美軍將在這些因素中尋求最佳的解決 途徑和技術方法。

未來隨著激光武器實戰化進程加快，美軍不會將激光武器視為單一的平臺武器系統，而將會融入聯合多域的作戰體系中，與火力系統協同作戰，互聯互通，以應對不同類型的威脅。未來有可能在新一輪軍事變革和科技革命的推動下，與人工智能技術相結合，催生出激光武器智能化作戰模式。

作者：丁宇，姜峰等