無人機悄無聲息地滑翔在荒蕪的新墨西哥州上空，突然失控，一頭栽向地面。
隨後，一枚迫擊炮彈從發射器升起，劃出一道高弧線，開始向目標下降，卻在半空中突然閃光爆炸。
在沙漠地面上，在一輛大型沙色卡車的頂部，一個立方體裝置轉動併發出看不見的紅外光束，連續擊中一個又一個目標。這款高能雷射移動演示器（HEL MD）是航空航天巨頭波音公司為美國陸軍開發的雷射武器原型。在卡車內部，波音公司電物理工程師斯蒂芬妮·布朗特盯著筆記型電腦螢幕上的目標，並使用手持遊戲控制器控制雷射。“它有非常像遊戲的感覺，”她說。
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這似乎很自然：雷射武器是現代影片遊戲的主要內容，各種射線槍在科幻小說中也很常見，早在 1960 年首次展示真正的雷射之前幾十年就已出現。但它們不再是幻想。波音公司的原型只是近年來美國和歐洲開發的幾種此類武器之一，這在很大程度上歸功於相對廉價、便攜且堅固耐用的雷射器的出現，這些雷射器使用光纖產生光束。
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雷射武器的軍事現實
這些光纖武器的輸出功率以千瓦 (kW) 為單位衡量，比曾經為美國戰略防禦倡議（一項最終失敗的冷戰計劃，旨在利用雷射摧毀攜帶核彈頭的彈道導彈）設想的兆瓦級裝置低幾個數量級。
但現代的、不那麼雄心勃勃的武器正處於實際部署的邊緣。波音系統等測試表明，雷射器有足夠的功率來應對恐怖組織的威脅，而且成本僅為傳統防禦系統的一小部分。“對於摧毀像小型迫擊炮或用汙水管制造的火箭彈等廉價武器來說，這是一種非常經濟高效的解決方案，”布朗特說。
例如，在 2014 年末，美國海軍展示了一種名為 LaWS 的艦載雷射武器系統，它可以瞄準恐怖分子和海盜使用的小型船隻。這種實驗性武器目前安裝在海灣地區的美國海軍“龐塞”號兩棲支援艦上。
開發人員警告說，全面部署仍然面臨許多挑戰，從需要提高武器的功率到在霧和雲中操作雷射的難度。但國防和安全專家開始認真對待雷射。“經過近半個世紀的探索，今天的美國軍方正處於最終部署具有作戰意義的定向能武器的風口浪尖，”華盛頓特區新美國安全中心 (CNAS) 的先進技術專家保羅·沙雷在四月份釋出的一份關於雷射武器的報告中寫道。
功率困境
長期以來，雷射武器一直讓武器開發商著迷，尤其是在 20 世紀 80 年代和 90 年代戰略防禦倡議（綽號“星球大戰”）的全盛時期。CNAS 報告稱，美國在雷射武器研究上的支出在 1989 年達到頂峰，當時政府支出了相當於 2014 年美元 24 億美元的資金。此後，資金一直保持在較低水平。然而，最初的目標，即能夠擊落來襲的彈道導彈，被證明是無法實現的。
任何雷射武器的訣竅都是將其能量聚焦到一個足夠小的光點上，以便加熱和損壞目標，並且使用緊湊且便攜到足以用於戰場的機器來實現這一點。說起來容易做起來難。例如，1996 年，美國空軍啟動了機載雷射專案，作為其對防禦彈道導彈的貢獻之一。由於當時不可能透過電力產生所需的兆瓦級光功率，開發人員選擇了化學氧碘雷射器 (COIL)，該雷射器可以透過化學反應提供燃料。但是 COIL 非常笨重，只能由波音 747 運輸，並且幾乎沒有剩餘空間用於雷射燃料。“它需要遠端混合裝置和重達數萬磅的化學品，”洛克希德·馬丁空間系統公司定向能系統主管保羅·沙塔克說，該公司為該專案提供了光束控制技術。
海軍研究實驗室（位於華盛頓特區）定向能物理學高階科學家菲利普·斯普蘭格爾說，另一個主要問題是大氣層。他說，光束不僅會被灰塵和自然湍流散射，而且它的透過還會引起“熱暈”。斯普蘭格爾解釋說，當光束以非常高的功率傳播時，“大氣層會吸收雷射，加熱空氣並導致雷射束擴散”。反過來，這種擴散會消散雷射的能量。
對於機載雷射專案來說，好訊息是這個問題至少有一個解決方案：自適應光學技術，類似於天文學家用來清晰觀測星星的技術（參見《自然》517, 430–432; 2015）。該技術使用反射鏡自動扭曲雷射束，從而抵消湍流的影響，其效果與一副眼鏡矯正眼睛的像差相同。“當雷射束穿過大氣層時，”沙塔克說，“它會變得清晰，並且到達目標時會變得又好又緊。”
到 2010 年，自適應光學技術已經足夠好，足以讓機載雷射器摧毀飛行中的彈道導彈。然而，到那時，後勤問題（如尺寸問題）已導致國防部對一般能源武器失去熱情。它在 2012 年初徹底取消了機載雷射計劃。與此同時，國防部在一般高能雷射器上的支出正在下降；它從 2007 年的 9.61 億美元降至 2014 年的 3.44 億美元。
聚光燈下的光纖
這筆錢並沒有完全消失：注意力已經轉移到光纖雷射器上，將其作為一種更經濟地交付成果的方式。光纖雷射器於 1963 年發明，自 20 世紀 90 年代以來，幾乎完全由位於馬薩諸塞州牛津的 IPG Photonics 公司推動發展。其他固態雷射器使用剛性的棒、板或圓盤狀晶體來產生光束，因此必須相當大，而光纖雷射器使用可以纏繞成緊湊線圈的細光纖（參見“光纖功率”）。光纖可以從 DVD 播放器中使用的廉價雷射二極體的更亮版本中收集光能，然後將光放大到更高的功率，總的電光轉換效率大於 30%。這至少是其他固態雷射器典型效率的兩倍，並且接近 COIL 等化學雷射器的效率。而且，由於其本質上細長，光纖具有高表面積與體積比，可以非常快速地輻射掉廢熱，這種能力有助於雷射器具有較長的工作壽命和較低的維護要求。
這些優勢在 20 世紀 90 年代首次引起關注，當時光纖雷射器開始用於增強透過海底電纜傳輸網際網路資料的光訊號。但自 21 世紀初以來，IPG 一直專注於開發千瓦級工業雷射器，用於焊接、鑽孔和切割，這些裝置也引起了軍事研究人員的關注。
沙塔克回憶說，大約在 2010 年，他和洛克希德·馬丁公司的同事聽說了以色列平民遭到從加沙地帶發射的火箭彈襲擊。“一個村莊的村長站起來說，‘請給我某種防禦手段，’”沙塔克說。這啟發了洛克希德·馬丁公司開發區域防禦反彈藥 (ADAM) 系統，該系統使用 IPG 的現成 10kW 雷射器來降低成本。自 2012 年以來，該公司已證明 ADAM 可以摧毀約 1.5 公里外的目標，例如船隻、無人機和模擬小口徑火箭彈。儘管洛克希德·馬丁公司不願透露 ADAM 的價格，也不願透露是否有人購買了該系統，但該公司表示，現在已準備好向客戶提供該系統。
布朗特對波音公司的 HEL MD 原型機毫不諱言，該原型機也使用了商用 10kW 光纖雷射器。她說，該系統從車輛發動機或單獨的發電機獲取電力，“發射雷射足夠長的時間以摧毀多個目標，只需不到兩杯燃料。” 這使得它比傳統導彈更便宜地用於防禦。“一枚廉價導彈的價格為 10 萬美元，而且只能發射一次，”波音公司定向能系統主管戴維·德揚說。“發射一次雷射武器系統的成本不到 10 美元。”
布朗特強調，雷射武器的復興至少與先進的影像識別和瞄準系統一樣歸功於雷射本身。“指向和跟蹤系統越好，”她說，“你就越能將光束對準目標最脆弱的點。”
得益於計算機化瞄準，HEL MD 可以完全自主模式執行，波音公司在 2014 年 5 月成功測試了這一點，儘管試驗發現了一個意想不到的挑戰。該武器的雷射束是無聲且不可見的，並非所有目標在被摧毀時都會爆炸，因此一場自動化戰鬥可能在操作員注意到任何情況之前就結束了。“交戰發生得很快，除非你 24/7 地盯著螢幕，否則你永遠不會看到它們，”布朗特說。“所以我們為每次發射雷射都內建了聲音。我們計劃利用大量的《星際迷航》和《星球大戰》的聲音片段。”
數量優勢
瞄準和跟蹤可能已準備好投入戰鬥，但功率仍然是一個問題。商用雷射器的 10kW 輸出功率對於雷射武器來說處於低端。而使用光纖限制了光束的功率和質量，尤其是在高功率下，湧過光纖的光子級聯會使光纖升溫的速度快於其輻射能量的速度，因此可能會造成損壞。為了避免這種情況，研究人員正在努力組合來自多個雷射器的輸出。
實現這一目標的理想方法是“相干合成”，其中來自每個雷射器的波以緊密同步的陣型一起行進。馬薩諸塞理工學院面向國防的林肯實驗室（位於列剋星敦）的雷射科學家範佐義說，這項技術已廣泛應用於無線電和微波應用中。但相干性在可見光和紅外光中更難實現。來自每個雷射器的波必須具有幾乎相同的波長，它們的振盪平面必須精確對齊，並且每個波的波峰和波谷必須重合。“在射頻或微波中，波長為幾釐米，”範說。“在光學中，波長約為一微米，因此能夠進行這些型別的控制真的非常困難。”
但斯普蘭格爾說，這可能無關緊要。2006 年，他和他的團隊報告了計算機模擬結果，表明幾個光纖雷射束的“非相干組合”擊中單個光點幾乎與相干組合一樣有效。他說，無論採用哪種方法，“當你在大氣湍流中長距離傳播時，你在目標上獲得的大致相同的功率”。2009 年，他的團隊透過使用反射鏡將 4 個光纖雷射束組合成一個 5 釐米的光點，擊中 3 公里以外的目標，從而證實了這一理論。
在美國海軍研究辦公室斯普蘭格爾研究的基礎上，開發了 30kW 的 LaWS，它非相干地組合了六個商用光纖雷射器。LaWS 自 2014 年 9 月以來一直安裝在 USS Ponce 號上，並已在小型船隻和無人機等物體上進行了測試。
導彈專家德國 MBDA 公司（位於施羅本豪森）也開發了一種類似的方法。2012 年 10 月，該公司成功地使用其 40kW 組合光纖束系統摧毀了在空中拖曳的約 2 公里外的模型炮彈。MBDA 的測試還有助於揭穿科幻小說中關於反射裝甲可以防禦雷射武器的想法。他們發現，鏡面上的任何灰塵都會被燒穿，甚至比非反射表面更快地導致目標被摧毀。
MBDA 未來系統主管馬庫斯·馬丁斯泰特認為，與傳統炸藥相比，高精度瞄準最大限度地減少了在試圖擊落目標時意外傷害旁觀者的可能性。“沒有彈藥碎片造成的風險，而且我們只在瞄準點精確對準目標時才開始照射，”他說。
洛克希德·馬丁公司也在致力於開發雷射武器，以應對比低成本 ADAM 系統能夠應對的更復雜或更遠的目標。例如，今年 3 月，該公司報告稱，其先進測試高能資產 (ATHENA) 系統可以使安裝在測試平臺上的小型卡車的執行發動機失效。ATHENA 使用了類似於機載雷射器的自適應光學系統，並結合了洛克希德公司的加速雷射演示倡議 (ALADIN) 光纖雷射系統。
ALADIN 將幾個光纖雷射器的輸出（每個雷射器具有略微不同的波長）組合成一個 30kW 的光束。這種“波長光束組合”方法起源於林肯實驗室，類似於將網際網路流量匯入光纖電纜的方法。範指出，這種方法比相干組合更容易，但比非相干組合提供更高質量的光束，因此可以更輕鬆地從更遠的距離擊中小目標。
CNAS 訪問學者、智庫雷射武器報告的主要作者賈森·埃利斯說，這些發展讓他相信光纖雷射武器正在走向成熟，並且新興的進步可能使其功率達到數百千瓦，並將其射程擴大到數百公里。
儘管取得了這些進展，但 2014 年 2 月對美國國家安全專家的民意調查發現，只有五分之一的人相信定向能武器技術將在十年內成熟。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（位於加利福尼亞州利弗莫爾）的光子科學專案經理邁克爾·卡特警告說，今天的雷射器離科幻小說中的雷射器還很遠。“它們還不是《星際迷航》中的相位槍，”他說。“人們談論光速交戰，但摧毀目標仍然需要時間。在最基本的層面上，如果你看不到它——如果雨霧太大——你的雷射就無法擊中它。” 他認為，當前這一代演示系統的最大價值可能在於在更好的雷射器出現之前，找出如何應對這些更廣泛的挑戰。“不要將他們在 USS Ponce 號上所做的事情誤認為是新的戰略優勢，”卡特警告說。“這可能是朝著這個方向邁出的第一步，但它本身不會改變遊戲規則。”
即使是武器公司也謹慎地避免誇大其詞。例如，MBDA 預計，即使在數十千瓦範圍內，真正的作戰系統也需要 3-5 年才能出現。在某些情況下（例如霧天），傳統武器將始終更有效。“你給未來的防禦者兩者兼而有之，並將選擇權交到他們手中，”德揚建議道。
沙雷聲稱，儘管光纖雷射武器的能力有限，但它們可能會在 5-10 年內在美軍防禦中找到一席之地。“它們可能沒有‘星球大戰’概念那樣宏大和具有戰略意義，”他說，“但它們可以挽救生命，保護美國基地、艦船和服務人員。”
本文經許可轉載，最初於 2015 年 5 月 27 日首次發表。