Аннотация: Кое-какие интересные факты о лазерном оружии.
Тепловые лучи
Это лазеры, которые непосредственно нагревают цель, вызывая обугливание, плавление, зажигание и испарение. Все лазеры, излучающие непрерывные лучи, попадают в эту категорию. Даже короткоимпульсные лазеры могут дать эффект теплового луча, когда интенсивность их луча падает настолько, что они больше не могут вызывать взрывное испарение цели.
Бластеры, они же взрыватели
Как известно, причинение повреждений с помощью механических средств намного более эффективно, чем тепловых. Лазеры могут причинять механические повреждения в первую очередь, испуская ультра-короткие импульсы крайней интенсивности, в результате чего материал цели превращается в плазму. В результате взрыв создает ударную волну, которая дробит и разрушает материал цели. Таким образом, бластер может причинить повреждения, аналогичные тепловому лучу, всего на одной десятой или сотой его мощности.
Для того, чтобы достичь глубокого проникновения, бластеры обычно испускают очень быструю очередь импульсов. Каждый импульс попадает в кратер, созданный предидушим импульсом, что позволяет лучу пробурить преграду насквозь.
Лазеры видимого и ближних диапазонов
Поскольку атмосфера наиболее прозрачна в ближнем инфракрасном и видимом диапазоне, работающие в нем лазеры могут поражать цели на достаточно большом расстоянии, избегая чрезмерных потерь из-за рассеивания, поглощения, многофотонной ионизации и катастрофического поглощения луча из-за образования каскада плазмы. Уже в синем конце видимого диапазона потери рассеяния могут стать значимыми для удаленных целей. А в ближнем ультрафиолетовом диапазоне рассеяние становится чрезмерным, причем, многофотонная ионизация делает непрактичным применение импульсных пучков. В дальнем ультафиолете любые газы становятся непрозрачными, сразу же поглощая лазерный луч. Инфракрасные лучи среднего диапазона также поглощаются атмосферой. Для более длинных инфракрасных волн воздух прозначен, однако их уже трудно сфокусировать. Эти проблемы усугулбяются для дальних инфракрасных волн, так как слишком интенсивные пучки становятся причиной лавинной ионизации, которая очень быстро поглощает луч.
Для подводного лазерного оружия единственными подходящими диапазонами являются синий и зеленый. Луч этого диапазона может пройти несколько десятков метров под водой, сохраняя достаточную мощность. Другие длины волн видимого света поглощаются в пределах нескольких метров, в то время как инфракрасное излучение поглощается почти немедленно.
Свет лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазона легко фокусируется с помощью зеркал и линз. Как следствие, сам лазер часто скрыт под толстой броней или в центре космического корабля, а луч направляется в цель с помощью набора зеркал и быстро поворачивающейся башни. Портативные лазеры, которые используются для стрелкового оружия, самообороны или спортивной охоты являются компактными, не имея ствола, но им нужны объективы большого диаметра для фокусировки луча.
Рентгеновские лазеры
Рентгеновский дипазон является идеальным для дальнобойных лазеров, так как волны с чрезвычайно короткими длинами могут быть сфокусированы на больших расстояниях. Тем не менее, атмосфера непрозрачна для рентгеновских лучей, поэтому рентгеновские лазеры не используются в атмосферах или для бомбардировки планет с атмосферой. Рентгеновские лучи сложно сфокусировать, так как они не могут отражаться и поглощаются любым материалом, на который падают. Мягкие рентгеновские лучи могут быть сфокусированы с помощью сложных систем зеркал скользящего отражения, но даже это невозможно для жестких рентгеновских лучей.
Многие рентгеновские лазеры полагаются на процесс, известный как самоусиление спонтанного излучения, который требует очень большой длины генерационных камер и выдает неустойчивые пучки с очень маленьким диаметром. Поэтому рентгеновские лазеры действуют без вторичной фокусировки или используют одноразовые разрушаемые кристаллические дифракционные линзы. Рентгеновский луч высокой мощности никогда не должен касаться материи, пока не достигнет своей цели, тем самым устраняя сложные вопросы разрушительного взаимодействия рентгеновского излучения с тонкой фокусирующей оптикой.
Охлаждение
Первое лазерное оружие было очень неэффективно, преобразуя всего 10% энергии в луч светового потока. Остальная часть энергии создавала тепло, которое могло повредить лазер, если от него не избавиться. КПД лазера рос по мере развития технологий. Современные лазеры обычно имеют КПД в 90% или выше. Это значительно снижает тепловую нагрузку на оружие, часто до уровня, где требуется только пассивное охлаждение.
Но там, где побочное тепло является проблемой, требуются активные системы охлаждения. В атмосфере достаточно охлаждать горячие части оружия с помощью вентилятора или использовать жидкостное охлаждение в более крупных установках, хотя это уже требует насосов, радиаторов и сложной системы труб. В космических условиях, где охлаждение возможно лишь путем термодиффузии, необходимы радиаторы очень большого размера, намного превосходящего размер самого оружия или капельные радиаторы. Эти радиаторы служат уязвимой целью и могут быть повреждены в бою, часто выводя лазер из строя. Поэтому боевые лазеры часто используют открытую систему охлаждения, когда горячий теплоноситель сбрасывается непосредственно в вакуум. Очевидно, что она может действовать лишь в течение короткого времени, так как запасы теплоносителя в таком случае очень быстро расходуются. В случаях, когда активная среда лазера сама расходуется (как в примитивных химических лазерах) требования к системам охлаждения значительно ниже.
Фокус и дифракции
Лазерный луч должен быть сфокусирован с помощью линзы или зеркала, чтобы сконцентрировать свою энергию на минимальной площади цели. Для этого дальность до цели должна быть известна и лазерное оружие обычно включает автоматический дальномер.
Частотный диапазон лазера определяет его способность поражать цели на больших расстояниях. Даже идеально сфокусированный пучок рассеивается из-за дифракции. Ее уровень зависит от соотношения начальной ширины пучка к длине волны луча. Наименьший возможный размер пятна, на котором луч может быть сфокусирован, может быть рассчитан, если начальная ширина пучка D, длина волны света L, а расстояние до цели R, наименьший размер пятна (S) имеет вид по
S = 1.2 RL / D. S = 1,2 RL / D.
Это означает, что свет зеленого лазера (с длиной волны 0,5 мкм), испускаемый через объектив десяти метров в диаметре, может быть сфокусирован в 6-миллметровое пятно на расстоянии 100 км. Как следствие, дальнобойное лазерное оружие использует большие выходные апертуры, короткие волны или все сразу.
Рассеяние и видимость
Луч лазера видимого диапазона всегда будет заметен, так как свет рассеивается из пучка. Даже идеально чистые газы будут рассеивать свет через эффект, известный как рэлеевское рассеивание. Рэлеевское рассеивание является более эффективным для более коротких волн длин света, поэтому синий свет будет рассеиваться сильне, зеленый меньше, желный и оранжевый еще меньше, красный будет рассеиваться в минимальной мере. Любые взвешанные в воздухе частицы значительно увеличат количество рассеянного света, причем, рассеивание света пылью не зависит от длины волны.
В земной атмосфере луч противопехотного лазера будет заметен даже в чистом воздухе в ночное время, в помещении, в пасмурную погоду, причем, луч зеленого или синего лазера будет хорошо виден даже на ярком солнце. Лучи бронебойных и противомашинных лазеров видимого диапазона всегда будут видимы даже среди бела дня. Любое количество пыли, смога, тумана, дыма или других взвешанных частиц сделают позицию лазера заметной, как сверкающий маяк.
Короткие, мощные лазерные импульсы любой длины волны, в которой воздух прозрачен, могут специально ионизировать воздух для использования эффекта атмосферной самофокусировки и отлично видны как светящиеся нити раскаленной плазмы, начинающиеся прямо в воздухе без видимого источника.
Поскольку создание плазменного канала быстро истощает энергию лазерного луча, самофокусировку, как правило, используют прямо перед мишенью.
Даже лазеры, работающие на невидимых длинах волн, будут производить вспышки плазмы, искр и летящих обломков в точке попадания. Лазеры видимого диапазона также будут производить всё это, плюс ослепительная вспышка того же цвета, что и луч, в точке падения.
Линзы Френеля
Очень хороший способ повысить дальнобойность лазера - отделить окончательный фокусирующий элемент от лазерного излучателя, то есть, большая линза или зеркало помещаюся за много километров от излучателя, в точке, где луч из-за дифракционного рассеивания становится очень широким. Таким образом, луч можно сфокусировать на цели даже в световых секундах. Обычно для этого используют плоские линзы Френеля. Чем больше расстояние между излучателем и линзой, тем больше линза должна быть, но чем больше линза, тем больше дальнобойность лазерного пучка.
При диаметре выходной апертуры в триста метров и диаметре фокусировочной линзы в десятки тысяч километров, лазерный пучок может быть сфокусирован на цели на расстоянии световых минут.
Рентгеновские лучи также могут быть сфокусированы дифракцией на тонких пластинках плотного вещества. К сожалению, дифракционные линзы поглощают или иным образом рассеивают 50% или более от энергии пучка, но то, что осталось, может быть сфокусировано в очень маленьком пятне на очень далекой цели из-за очень малой длины волны луча и больших размеров пластины.
Оборонительные меры
Цель может защитить себя от воздействия лазерного огня с помощью брони. Разные формы углерода, такие как алмаз, графит, фуллерен или ткань из нанотрубок обеспечивают отличную механическую защиту в сочетании с чрезвычайной устойчивостью к плавлению и испарению, и поэтому широко используются для защиты от лазеров (не говоря уже о снарядах и любой другой тепловой или механической угрозе).
Там, где лазеры считаются основной угрозой, часто используют несколько толстых вращающихся оболочек. Даже если луч достаточно интенсивен, чтобы прожечь все слои брони за время, значительно более короткое, чем период вращения, различная скорость вращения концентрических оболочек сдвигает пробитые отверстия, предотвращая пробитие всех оболочек и достижение жизненно важных компонентов.
Отражающие материалы дают мало защиты от лазерного оружия. Для импульсных пучков интенсивность становится настолько высокой, что отражающая способность не имеет большого значения - луч просто выбивает электроны из любого материала, с которым сталкивается. Даже при более низкой интенсивности луч может быстро нагреть отражающую поверхность, разрушая ее и таким образом снижая ее отражающую способность, или превратит ее в плазму. В этом случае тепло плазмы будет передаваться поверхности, минуя отражающую способность. На большом расстоянии, однако, луч лазера рассеивается настолько, что светоотражающие материалы могут быть полезны.
Тем не менее, никакая защита не может быть универсальной. Дальнобойность рентгеновского лазера столь высока, что проблемы ограниченной скорости света начинают играть решающую роль. Если цель удалена на несколько световых секунд или даже минут, невозможно определить ее точное местанахождение в настоящий момент и тем более точно навести на нее лазер. Это не панацея, конечно, так как маневры уклонения заставляют корабль тратить ценное топливо. Достаточно настойчивый стрелок может заставить противника израсходовать столько топлива, что он уже не в силах завершить свою миссию и таким образом одержать элегантную и абсолютно бескровную победу.
Типы лазеров
Газовые лазеры, химические лазеры и твердотельные лазеры
Газовые лазеры, как правило, используются в медицинских и промышленных целях, но малоэффективны в бою.
Химические лазеры работают на химической реакции в жидкости, некоторые лазеры такого типа эффективны в качестве оружия. Йод-кислородный лазер, например, был использован в качестве противоракетного оружия и установлен в транспортном самолете. Однако, он был громоздок и требовал дорогих химических веществ, которые быстро расходовались. Химические лазеры были отброшены в пользу твердотельных, как только это стало технически осуществимо.
Твердотельные лазеры используют стекло или кварц с добавлением примеси ионов металлов в качестве активной среды. На самом деле это наиболее древняя форма лазеров, в самых первых лазерах использовались кристаллы рубина. Некоторые виды таких лазеров иногда использовались в качестве оружия, но лазеры такого рода были почти полностью вытеснены диодными и наноэмиттерными лазерами и лазерами на свободных электронах, а также оптической ФАР.
Лазеры на свободных электронах
Лазеры на свободных электронах могут быть настроены для получения лазерных пучков в очень широком диапазоне частот, вплоть до рентгеновского. У них нет активной среды как таковой, пучок ультра-релятивистских электронов пропускается через переменное магнитное поле (так называемый вигглер), чтобы произвести интенсивный луч когерентного света. Чаще всего, линейный ускоритель используется для разгона фемтосекундных пакетов электронов. После прохождения через вигглер электронные пучки тормозятся и их остаточная энергия используется для ускорения следующей партии. Однако, эти линейные ускорители являются очень большими, поэтому их размещают внутри стационарных структур или военных кораблей. Типичный рентгеновский лазер на свободных электронах может быть в десять километров длиной и в сочетании с большими и удаленными металлическими пластинами линзы Френеля может поражать цели на расстоянии многих астрономических единиц. Более длинные волны света требуют менее энергичных электронов для создания и, следовательно, лазеры видимого и близких к нему диапазонов на свободных электронах значительно более компактны, хотя они всё еще имеют десятки метров в длину и должны быть размещены в стационарных установках или очень больших транспортных средствах, таких, как морские суда, реактивные транспортные самолеты, дирижабли или орбитальные космические аппараты.
Диодные лазеры
Они используют электрический ток для стимуляции свечения полуроводниковой подложки диода и могут быть очень небольшими. Лазеры такого типа позволяют создать небольшое оружие для использования в атмосфере или под водой. Они используют встроенные оптические резонаторы для генерации пучка в отличии от "естественных" резонаторов, таких как флоуресцирующие атомы, используемые в современных твердотельных лазерах. Кроме того, полупроводниковые (или диодные) лазеры используют фазовую автоподстройку. Сочетание фазовой синхронизации пучков с зеркальным резонатором может дать пучки очень высокого качества. Более продвинутые модели используют квантовые ямы или квантовые точки, а более продвинутые наноизлучатели не используют полупроводниковые излучающие среды.
Лазеры этого типа часто работают в ближнем ИК и видимой части спектра и имеют высокий КПД - самые передовые модели могут более чем на 90 % преобразовывать входящую энергию в свет.
Оптические фазированные решетки
Оптические ФАР представляют собой наиболее гибкую форму лазерного оружия. Оптическая фазированная решетка состоит из слоя легкого излучающего материала, датчиков и связанных с ними процессоров. Такая конфигурация допускает широкий спектр оптических эффектов, в том числе движущиеся изображения и трехмерная проекция реальных или мнимых объектов и сцен. Система фазированных антенных решеток может заставить объект видимо исчезнуть, проецируя образ фона за ним во всех направлениях.
Эта технология также позволяет всему объекту излучать свет, как будто это объектив гигантского лазера. Любой объект - транспортное средство, спутник, здание или скафандр, оснащенный оптической ФАР, может сконцентрировать весь излучаемый им свет на цель. Такой массив может использоваться в качестве межпланетного и даже межзвездного оружия. Целые военные корабли, обитаемые станции и даже объекты размером с планету могут стать основой фазированных лазеров. С помощью сферы Дайсона вся выходная энергия звезды может быть преобразована в излучение и сосредоточена на планете в соседней солнечной системе, испаряя ее полностью в течение нескольких дней. Такие системы известны как лучи Дайсона и редко используются в войне ввиду своего колоссального размера и связанных с ним затрат.
К тому же, из-за хаотичности орбитальной механики с участием более чем двух тел, точное расположение планет или любых других объектов, находящихся на расстоянии световых лет, является несколько непредсказуемым на сроки более чем в несколько лет - время, необходимое лучу для достижения своей цели через межзвездное пространство.
Рентгеновские лазеры с ядерной накачкой
Ядерная бомба взрывается внутри кластера металлических стержней, которые направлены на цель. Стержни становятся средой для генерации короткого импульса рентгеновского излучения незадолго до их разрушения. Довольно малоэффективно из-за низкого КПД.
Звездные Лазеры
Некоторые природные явления приводят к когерентным выбросам из звездных атмосфер. Они довольно часто встречаются у звезд Вольфа-Райе и быстро развивающихся протозвезд. С помощью звездной инженерии можно вызывать мощные выбросы когерентного света даже у звезд главной последовательности и использовать их для наступательных или оборонительных целей.